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Mario Arlindo Paz Irrigaray Manuel Teixeira Braz César MECANISMOS DE AUTOREPARO EM MATERIAIS CIMENTÍCEOS: UMA VISÃO GERAL Bragança, Portugal 2019
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Mario Arlindo Paz Irrigaray
Manuel Teixeira Braz César
MECANISMOS DE AUTOREPARO EM
MATERIAIS CIMENTÍCEOS:
UMA VISÃO GERAL
Bragança, Portugal
2019
Mario Arlindo Paz Irrigaray1
Manuel Teixeira Braz César2
MECANISMOS DE AUTOREPARO EM
MATERIAIS CIMENTÍCEOS:
UMA VISÃO GERAL
1Universidade Federal Tecnológica do Paraná 2Instituto Politécnico de Bragança
Projeto gráfico e Diagramação: Adriana Kunen
Formatação digital: Adriana Kunen
Título: Mecanismos de autoreparo em materiais cimentíceos: uma visão geral
Autores: Mario Arlindo Paz Irrigaray - UTFPR
Manuel Teixeira Braz César - Instituto Politécnico de Bragança
Edição de autor
ISBN 978-989-20-9692-6
A responsabilidade do conteúdo do texto é dos autores.
MECANISMOS DE AUTOREPARO EM
MATERIAIS CIMENTÍCEOS:
UMA VISÃO GERAL
Disseminação do conhecimento do self-healing
Estudo de Pós Doutoramento em Self-Healing vinculado à
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campi Pato
Branco-PR, Brasil (UTFPR-PB) em cooperação com a
Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto
Politécnico de Bragança, Portugal (ESTiG-IPB)
2019
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 Uma visão geral sobre os problemas relacionados à vida
útil e a sustentabilidade das estruturas de concreto
armado
CAPÍTULO 2 Materiais autorregenerativos
Método de tratamento passivo
Mecanismo de autoreparo com tratamento superficial
utilizando bactérias
CAPÍTULO 3 Mecanismo de autoreparo autógeno
CAPÍTULO 4 Mecanismo de autoreparo baseado em adições minerais
Adições minerais expansivas
Adições minerais cristalizantes
CAPÍTULO 5 Mecanismos de autoreparo com bactérias
Atividades metabólicas realizadas pelas bactérias que
resultam na formação do Carbonato de Cálcio
Eficácia do processo e variáveis que afetam a
biomineralização
Autoreparo com inclusão direta de bactérias em materiais
cimentíceos
CAPÍTULO 6 Mecanismos de autoreparo empregando polímeros
Mecanismos empregando polímeros superabsorventes
Mecanismos empregando agentes adesivos
Métodos para o fornecimento dos agentes de cura nas
fissuras
Técnicas de encapsulamento
Probabilidade das fissuras atingirem as cápsulas
Propriedades mecânicas das cápsulas
Eficiência do fornecimento dos agentes de cura
líquidos por meio de cápsulas
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CAPÍTULO 7 Como as condições ambientais afetam o processo de
autoreparo
Benefícios da autoreparo em materiais cimentíceos
Custos adicionais para aplicação dos mecanismos de
autoreparo
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APRESENTAÇÃO
Este livro oferece visão geral e simplificada sobre os
mecanismos de autoreparo em materiais cimentíceos e, é dedicado
aos estudantes que objetivam ampliar as potencialidades desses
materiais, tornando-os mais duráveis e sustentáveis.
Mario Arlindo Paz Irrigaray
Manuel Teixeira Braz Cézar
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CAPÍTULO 1
Questões relacionadas à durabilidade e à vida útil das
estruturas em concreto armado: uma breve contextualização
Para que as soluções de engenharia sejam consideradas
sustentáveis faz-se indispensável que as mesmas atendam,
concomitantemente, demandas sociais, ambientais, técnicas e, ao
mesmo tempo, sejam economicamente viáveis. Em relação às
demandas técnicas, entende-se que as estruturas sejam capazes de
oferecer desempenhos mínimos durante a vida útil, os quais,
usualmente, estão associados à segurança e ao conforto do usuário,
com o menor impacto ambiental e menor custo. Na maioria das vezes,
os custos econômicos crescem proporcionalmente aos níveis de
segurança e conforto, podendo-se inferir que, em decorrência disso,
haja maior impacto ambiental, embora isso nem sempre aconteça.
Para Van Breugel (2012), a população mundial em rápido crescimento
e as economias em expansão são as principais razões para a demanda
crescente por edifícios e infraestrutura. Para atender a essas
necessidades são necessárias grandes quantidades de energia e
matérias-primas e, para a maioria dos casos, o concreto t o principal
material de construção dessas estruturas.
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Conforme Joshi et al., (2017), quase 80% da infraestrutura do
mundo é construída em concreto armado, sua manutenção precisa de
investimento frequente e de grande monta, os quais poucos países no
mundo podem pagar. Razão pela qual existe esforço mundial na busca
de soluções e diferentes estratégias têm sido adotadas no processo
investigatório, as quais visam minimizar o custo de reparo e
reabilitação, que ocorre em larga escala, devido a deterioração da
infraestrutura civil. Consequentemente, otimizar as estruturas, sob o
ponto de vista da sustentabilidade, torna-se imperativo, por essa razão
Müller et al., (2014) afirmam que “[...] a sustentabilidade da
engenharia estrutural é baseado nos princípios em que a energia e os
recursos consumidos devido à construção e operação da estrutura
devam ser minimizados”. Não obstante, a julgar pelas tendências
mundiais, o futuro do concreto parece ainda mais brilhante porque,
para a maioria dos casos, oferece propriedades de engenharia
adequadas com baixo custo, combinadas com benefícios ecológicos e
de economia de energia, conforme Mehta & Monteiro (2006).
O concreto de cimento Portland tem sido o material
manufaturado mais amplamente empregado no mundo, devido
principalmente ao fato de ser insolúvel em água, possuir boa
estabilidade química, apresentar baixo custo de produção, ser
incombustível, facilmente mondável, ter diferentes densidades, ser
produzido tanto com equipamentos sofisticados (centrais de concreto)
quanto por equipamentos rudimentares (betoneiras de eixo inclinado),
empregar mão-de-obra altamente qualificada ou, em outras
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circunstâncias, mão-de-obra pouco instruída, ser bombeado a grandes
alturas e distâncias ou ser transportado em carrinhos de mão, ser
compactado com equipamentos de estrada, tais como rolos
compactadores, ou ser adensado com um simples vibrador manual, ser
projetado em paredes de túneis ou simplesmente ser lançado em lajes
ou fundações, ser produzido para isolar resíduos radiativos, ou ser
produzido para isolar ambientes térmica ou acusticamente, ser
produzido com diferentes cores e texturas, ou ser produzido para
resistir a elevada agressividade ambiental, ou ainda, ser,
ocasionalmente, concorrente do concreto armado, quando produzido
com pós reativos e fibras de alto desempenho. Contudo, em que pese o
fato de o concreto possuir uma série de vantagens técnicas,
econômicas e ambientais, ele ainda é susceptível a formação de
fissuras, as quais podem surgir tanto durante o processo construtivo,
ainda no estado fresco, quanto no quanto no estado endurecido
durante a sua vida útil.
Fontes de fissuras podem ser variadas, incluindo retração
plástica, retração de secagem, tensões térmicas, carga externa e
corrosão das armaduras ou efeito acoplado de múltiplos fatores, ou
mesmo recalque diferencial das fundações. As fissuras podem se
formar devido a retração, mas podem se propagar a um nível de tensão
menor quando a carga externa é aplicada, causando uma rede de
fissuras, por outro lado, mesmo quando ausentes tensões externas, o
concreto pode ficar submetido a tensões internas devido as
deformações de origem térmica ou higrotérmicas.
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O concreto, no estado fresco, possui elevado teor de umidade
e sofre contração devido secagem, quando exposto à umidade
ambiente. De forma similar, quando o concreto aquece, devido ao
calor de hidratação e, posteriormente, é resfriado à temperatura
ambiente, sofre fortes tensões de tração e compressão. As
deformações de contração podem ser prejudiciais ao concreto porque,
quando contidas, elas se manifestam em tensão de tração. Como a
resistência à tração do concreto é baixa, as estruturas de concreto
geralmente fissuram, como resultado da retração restringida causada
por mudanças de umidade e temperatura. De fato, a tendência à
fissuração é uma das várias desvantagens nas estruturas construídas
com concreto (Mehta & Monteiro, 2006). Paralelamente, também
podem ocorrer fissuras por assentamento plástico, nas primeiras
idades do concreto, portanto é imperativo que sejam adotadas soluções
para mitigar ou mesmo eliminar o surgimento dessas fissuras nas
estruturas. Dentre as possíveis soluções possíveis, tem-se a aplicação
de mantas de geotêxtil (polipropileno e poliéster), sobre a superfície
do concreto, para auxiliar no processo de cura; a revibração do
concreto, a qual deve ser realizada antes do início de pega. Esses
procedimentos, embora bastante simples, são frequentemente
negligenciados, o que acarreta, para além do surgimento das fissuras,
perda de resistência, de módulo e alterações na porosidade e na
permeabilidade do concreto de cobrimento.
Deve-se considerar ainda que, conforme Mehta & Monteiro
(2008), a permeabilidade do concreto não depende apenas das
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proporções da mistura, embora quanto maior a relação água/cimento e,
consequentemente, maior o tamanho dos poros, maior será a
permeabilidade. Por outro lado, a compactação e a cura, assim como
as temperaturas extremas contribuem para a formação de fissuras.
Por outro lado, deve-se ter em conta que a pasta de cimento
hidratada é alcalina. Portanto a exposição às águas ácidas pode ser
prejudicial ao concreto, uma vez que alguns dos produtos sólidos
podem ser solubilizados e, desta forma, ter-se aumento na porosidade,
na permeabilidade e, concomitantemente, redução da alcalinidade do
concreto. Um concreto com pH inferior a 9 torna-se mais susceptível à
corrosão por carbonatação.
Para Basheer et al., (1996), a taxa de deterioração das
estruturas de concreto depende principalmente de dois fatores
importantes: permeabilidade da matriz de concreto e desenvolvimento
de microfissuras, ainda para Basheer et al., (2001), é o sistema de
poros interconectados e a presença de microfissuras no concreto que
permitem a penetração de agentes nocivos, tais como o CO2 , SO42− e
Cl−, para causar corrosão das armaduras.
A principal causa da degradação das estruturas de concreto
armado é a corrosão, decorrente da despassivação das armaduras. A
despassivação das armaduras pode ocorrer tanto devido à queda do
pH, no interior do concreto, causado pela carbonatação, quanto devido
ao ingresso de íons de cloreto, por difusão, através da rede de poros do
concreto. Conforme ConRepNet, relatado por Tilly & Jacobs (2007),
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55% da deterioração das estruturas de concreto armado é causada pela
corrosão das barras de aço.
Para Van Belleghem et al., (2018) a principal causa dos
problemas de durabilidade nas estruturas de concreto armado é a
ocorrência da corrosão das barras de aço. Uma das principais causas
da corrosão prematura do aço é a exposição do concreto armado aos
íons de cloretos, presentes nos sais descongelantes e na água do mar.
Para Ling & Qian (2017), as fissuras reduzem grandemente as
capacidades de anti-permeabilidade, anti-corrosão e anti-carbonização,
o que pode facilitar muito a corrosão das armaduras e diminuir a
capacidade de carga e a durabilidade das estruturas. Tal rede de
fissuras dá acesso fácil a umidade e produtos químicos, os quais
infiltram-se na estrutura ou degradam quimicamente o concreto. Tais
problemas são piores nos trópicos devido à maior umidade relativa do
ar e alta precipitação (Souradeep et al., 2017).
As fissuras em reservatórios de água, telhados e tubulações
podem causam vazamentos e afetar negativamente sua funcionalidade.
Em decorrência das fissuras e rachaduras torna-se imperativo realizar
manutenções e/ou reparos, os quais, em alguns casos, são prematuros,
em outros casos, a gravidade ou a deterioração é tal que a recuperação
é inviável economicamente e faz-se necessário a demolição. Por outro
lado, se as estruturas, como pontes e túneis, tiverem que ser retiradas
de serviço, para reparo ou reforço, os custos indiretos são geralmente
várias vezes superiores aos custos diretos. Além do alto custo do
reparo, é reconhecido que a realização de reparos duráveis é difícil,
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mesmo que a qualidade desses reparos tenha aumentado
substancialmente anos recentes. A maioria destes reparos pode durar
de dez a quinze anos, no máximo. Além disso, é difícil reparar
rachaduras que não são acessíveis, como as rachaduras em estruturas
de concreto subterrâneas.
Quando as fissuras ocorrem no concreto armado, elas criam
caminhos preferenciais para os íons agressivos, sejam íons de cloreto,
de sulfatos, ou outros. Em muitos casos as fissuras surgem nas regiões
onde o concreto é tracionado e, que na qual, obviamente, as barras de
aço são colocadas prioritariamente. Em decorrência disso, as
extremidades das fissuras ficam mais próximas às armaduras de aço e
assim o caminho a ser percorrido é reduzido substancialmente. Em
alguns casos, em que a fissura é tão profunda que é capaz de alcançar
as barras de aço a situação é mais grave ainda, dado que os íons de
cloreto podem penetrar diretamente nas barras de aço. Isso significa
que o período de início de corrosão será drasticamente reduzido. Em
alguns casos, esse início da corrosão é quase instantâneo. Caso as
fissuras não sejam tratadas, os íons de cloreto continuarão a penetrar
através das fissuras o que poderá acelerar a fase de propagação da
corrosão. A corrosão irá se propagar muito pontualmente, no local
onde a fissura cruza a armadura. Este ataque pontual ou localizado
pode levar a uma perda severa da área da transversal da armadura, a
qual pode prejudicar a integridade da estrutura. Para evitar essas
drásticas consequências, as fissuras precisam ser reparadas o quanto
antes possível.
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Durante a vida útil das estruturas de concreto armado, o
processo de corrosão caracteriza-se por dois períodos, nomeadamente
período de iniciação e período de propagação. Durante a fase de
iniciação, os íons penetram através do concreto de cobrimento até que
um suficiente nível de concentração de íons de cloro chega na barra de
aço para romper a camada de proteção passiva, na superfície do
concreto. Nesse momento, a fase de propagação tem início e, continua
em certa taxa, dependendo da quantidade de água, oxigênio e íons de
cloro disponíveis (Ahlström et al., 2016). Conforme Lu et al., (2011),
no período de iniciação, quando a estrutura é exposta a contaminação,
o filme de proteção, decorrente do meio alcalino pode ser danificado,
o que resultará no período de iniciação. No período de propagação,
onde a proteção passiva está comprometida e suficiente oxigênio e
umidade chegam até a superfície das barras, a reação de corrosão
ocorre e os produtos da corrosão são formados ao redor da barra. Em
decorrência dos produtos gerados pela corrosão serem 1,5 a 6,4 vezes
superiores ao volume do aço, assim que se inicia o processo corrosivo
os vazios na zona de transição, ou seja, na interface concreto/aço, vão
sendo preenchidos com esses produtos, resultando em elevadas
tensões na matriz do concreto, devido à expansão desses produtos, o
que produz mais fissuração no concreto e, consequentemente mais
ingresso de agentes agressivos e assim tem-se a perpetuação da
corrosão até o desplacamento do concreto de cobrimento e,
posteriormente, o ataque direto às armaduras.
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Nas abordagens atuais do projeto das estruturas de concreto
armado, a vida útil é definida por um valor de referência de destino,
que, por meio de “conceito de classe estrutural” e, em função da classe
de exposição, resulta em prescrições a serem adotadas. Essas
prescrições são consideradas como garantia do nível de durabilidade
exigido. Dentre elas, a ISO 15686-2:2012 define planejamento de vida
útil como um processo de projeto que, levando em conta os custos
globais do ciclo de vida da edificação, visa garantir uma vida útil de
projeto, geralmente pré‐estabelecida em função da tipologia da
construção. Segundo o fib Model Code for Service Life Design
(2006), a questão da vida útil deve ser tratada sob, pelo menos, três
aspectos: métodos de introdução ou verificação da vida útil no projeto;
procedimentos de execução e controle de qualidade; e procedimentos
de uso, operação e manutenção. Contudo, para Borg et al., (2017),
essas prescrições implicam o uso de elevado consumo de cimento,
baixas relações de água/cimento, agregados adequados, elevados
cobrimentos de armadura e uso de armaduras resistentes à corrosão
(por exemplo, aço inoxidável / galvanizado ou barras poliméricas).
Todos os procedimentos supracitados acarretam um desenho estrutural
não-econômico e não-ideal, uma vez que as dimensões dos membros
em geral e a eficiência estrutural do material são prejudicadas pelo
elevado cobrimento da armadura. Portanto, ao que parece, a adoção
dessas recomendações parece não estar sendo suficiente. Dentre as
possíveis razões, tem-se o fato de que fissuras com mesmas aberturas
podem ter diferentes profundidades e extensões. Isso porque a
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depender do material utilizado na estrutura (concreto; concreto com
fibras; concreto reforçado com fibras de alto desempenho), ou mesmo
o tipo de dimensionamento adotado, (concreto armado ou concreto
protendido), a mesma abertura de fissura poderá ter diferentes
profundidades. Quanto maior for a profundidade da fissura menor será
o caminho a ser percorrido pelos íons de cloreto até atingir as
armaduras e, concomitantemente, menor será o tempo necessário para
que a frente de carbonatação chega nas barras de aço. Por essa razão,
parece ser bastante plausível considerar a profundidade da fissura nos
modelos de previsão de vida útil nas estruturas de concreto armado.
Conforme Borg et al., (2017), uma análise do histórico de casos
fornecida pelo projeto CONREP-NET mostrou que 50% das estruturas
de concreto reparadas falharam mais uma vez, 25% dos quais nos
primeiros 5 anos, 75% em 10 anos e 95% em 25 anos. Este é apenas
um exemplo da necessidade urgente de um profundo repensar do
conceito e dos processos de projeto para estruturas de concreto
armado novas e recuperadas em ambientes agressivos, tendo em vista
as demandas de custo-efetividade.
Mantendo-se o foco na sustentabilidade, mas relacionando-o
com as questões da infraestrutura, é possível constatar forte relação
entre a necessidade de prolongar a vida útil das estruturas existentes,
por meio de manutenções e/ou reparos e os custos econômicos e
ambientais decorrentes dessas possíveis ações.
Em relação ao dimensionamento das estruturas de concreto
armado, deve-se destacar a importância de apropriado conhecimento
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técnico/científico da equipe de profissionais, no tocante aos aspectos
relacionados à durabilidade/vida útil e à sustentabilidade. Nesse
sentido, pode-se inferir que a equipe possua conhecimento dos
principais agentes agressivos que podem atuar na estrutura, ou seja,
quais serão as ações físicas (ventos, amplitudes térmicas, erosão,
cavitação, ação de gelo e degelo, ação do fogo, precipitações
máximas), ações químicas (CO2 , cloretos, sulfatos, nitratos, etc.) e
ações mecânicas (estáticas e dinâmicas). Com essas informações
preliminares em mãos e tendo-se estabelecido a vida útil mínima
requerida, a equipe de projetistas poderia fazer várias simulações.
Nessas simulações, várias soluções poderiam ser testadas, dentre elas:
a protensão; a pré-fabricação; emprego de diferentes proporções e
adições minerais; diferentes resistências características (fck);
diferentes tipos de armaduras; diferentes taxas de armaduras; e ainda o
emprego de diferentes tipos e teores de fibras.
Mantendo-se a mesma estimativa de vida útil, ao final de cada solução
proposta seria verificado o custo do empreendimento, associando-o ao
consumo energético ao longo da vida útil. Por meio desse
procedimento seria possível encontrar as soluções mais sustentáveis
para, posteriormente, conceberem adequado manual de uso e
manutenção, relacionando quais itens devem ser inspecionados ou
substituídos, e com qual periodicidade. Essas informações seriam
importantes ferramentas para a gestão da manutenção.
Nas últimas décadas, os desafios relacionados à durabilidade e
a sustentabilidade tem estimulado a pesquisa e, nesse sentido, vários
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materiais com potencial de autoreparo têm sido propostos, os quais
são ativados quando do surgimento de fissuras e ou rachaduras. A
cada ano numerosas tentativas vêm sendo apresentadas, as quais têm
sido focadas no desenvolvimento de diferentes sistemas, bem como
com a integração para a produção em grande escala, objetivando a
melhor relação possível entre custo/desempenho/propriedades (Bekas
et al., 2016). O campo dos materiais de autoreparo ou autoreparadoras
não é focado apenas em uma classe de material, mas cobre várias
classes importantes de materiais, tais como: polímeros; compósitos;
metais; concreto e materiais betuminosos (Van Der Zwaag, 2007).
De acordo com Borg et al., (2017), a demanda crescente de
edifícios, estruturas e infraestruturas, em todo o mundo, no setor da
engenharia civil e na indústria da construção está exigindo forte
compromisso com a sustentabilidade. Portanto, em decorrência desse
compromisso, existe forte interesse na autoreparo dos materiais de
construção baseados em materiais cimentíceos.
Segundo Seifan & Berenjian (2018), a implementação de um
mecanismo de autoreparo na matriz do concreto capaz de atuar sem a
intervenção humana é altamente recomendável.
Os mecanismos de autoreparo aplicáveis às construções
podem ser tanto passivos quanto ativos. Os tratamentos passivos são
aplicáveis às estruturas existentes, às quais se pretende minimizar os
efeitos da deterioração/degradação e, portanto, ampliar a vida útil.
Esses mecanismos são aplicados sobre a superfície externa das
estruturas e sua eficácia é limitada às áreas de acesso. Nesses
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procedimentos é imperativo o monitoramento, detecção, e reparação,
os quais são realizados após as rachaduras serem localizadas. A
operação é realizada a partir do exterior e espera-se que penetre nas
rachaduras. A maioria desses métodos convencionais são mais
adequados para grandes rachaduras, que apareceram na superfície
(Amiri et al., 2018). No entanto, as rachaduras podem existir em
escala micro, o que pode então dificultar a aplicabilidade destes
métodos. Por essa razão os agentes vedação podem não ser capazes de
se difundirem para dentro das rachaduras (Amiri et al., 2018). Para
Seifan et al., (2016), alguns dos atuais métodos de tratamento, como a
aplicação de produtos químicos e polímeros, são uma fonte de riscos
para a saúde e o meio ambiente e, mais importante, são eficazes
apenas no curto prazo. Daí a necessidade de desenvolver
produtos/mecanismos que sejam duradouros e ecologicamente
corretos.
Para ter-se melhor entendimento sobre os tratamentos
passivos, recomenda-se, minimamente, a leitura da norma Européia
EM 1504-2. Normalmente, são filmes que agem como barreira física,
ou atuam como hidrorepelentes ou como bloqueadores de poros,
nomeadamente os silanos e os siloxanos, os quais reagem com as
partículas de cimento e são capazes de fechar pequenas fissuras.
Os tratamentos ou sistemas ativos destinam-se às novas construções e
obras de infraestrutura e, por essa razão, durante a produção do
concreto, os produtos ou sistemas (bactérias, adições minerais
cristalizantes ou expansivas, adesivos e polímeros) são adicionados à
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mistura e, serão posteriormente ativados, quando do surgimento das
fissuras, podendo ser necessário a presença de água e oxigênio ou
apenas oxigênio para que o mecanismo atue de forma eficaz.
Métodos de tratamentos ativos possuem a vantagem de
atuarem independentemente, em diferentes condições, sendo
indiferentes ao local do surgimento da fissura (Seifan & Berenjian,
2018).
O autoreparo da fissura bloqueia -por meio de novos produtos
da hidratação e/ou devido a expansão de polímeros- e evita
vazamentos de água, em decorrência disso, a funcionalidade das
estruturas de concreto é recuperada. Ao mesmo tempo, esse bloqueio
inibe a entrada de íons agressivos, como resultado, a vida útil das
estruturas de concreto é prolongada.
Atualmente, o grande desafio está em projetar estruturas com
mecanismos ativos, com a capacidade inerente de se autorepararem,
assim que qualquer tipo de deterioração ou envelhecimento surgir, o
que ampliaria em aumento da vida útil das estruturas de concreto e,
consequentemente, reduziria a necessidade de novas construções, que
demandam matéria-prima e energia.
Em relação aos mecanismos de autoreparo ativos, pode-se
afirmar que quando o processo de regeneração é originado
naturalmente, a partir do material cimentíceo, denomina-se cura
autógeno ou se um gatilho artificial é necessário para ativar o
processo, denomina-se cura autônoma. A cura autógeno de fissuras no
concreto está associada às propriedades autoreparativas resultantes da
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atividade física e/ou química relativas à composição da matriz
cimentícea.
Baseado em pesquisa bibliográfica realizada por Snoeck &
Belie (2015), o autoreparo em materiais cimentíceos pode ser
agrupada em quadro categorias, de acordo com o mecanismo, são eles
as seguintes: a) autoreparo autógeno; b) autoreparo baseado em
aditivos/adições minerais; c) autoreparo baseado em bactérias e, d)
autoreparo baseado em agentes adesivos.
Finalmente, conforme Li & Yang (2007), para criar um
conveniente material de concreto com uma funcionalidade de
autoreparo efetiva, deve-se considerar particularmente seis atributos
importantes. Por conveniência, rotulou-se um material com todos
esses seis atributos de autoreparo autógeno, como "robusto": •
Onipresença: pronto para ativação quando e onde necessário (ou seja,
na rachadura quando ocorre rachadura); • Estabilidade: permaneça
ativo durante a vida útil de uma estrutura que pode abranger décadas; •
Economia: economicamente viável para a indústria de construção
altamente sensível ao custo, na qual grandes volumes de materiais são
usados diariamente; • Confiabilidade: autoreparo consistente em uma
ampla gama de ambientes típicos das estruturas de concreto; •
Qualidade: propriedades mecânicas e de transporte recuperadas, tão
boas quanto em nível de pré dano; • Repetibilidade: capacidade de
autorreparo para múltiplos eventos de dano.
Neste trabalho, os sistemas de autoreparo serão abordados em
capítulos, da seguinte forma: capítulo 1, mecanismos de autoreparo
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autógeno; capítulo 2, mecanismos de autoreparo empregando adições
minerais; capítulo 3, mecanismo de autoreparo baseado em bactérias;
capítulo 4, mecanismos de autorrregegeneração empregando polímero;
e capítulo 6, no qual serão apresentados os principais ensaios
utilizados nas pesquisas referentes a autoreparo, em materiais
cimentíceos.
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26
CAPÍTULO 2
Mecanismos de autoreparo autógeno
Cura autógeno é um processo natural de reparação das
fissuras, o qual ocorre em materiais cimentíceos, na presença de água
e, preferencialmente, na ausência de tensões de tração. O reparo é
decorrente da combinação do bloqueio mecânico -produzido por
partículas transportadas para o interior da fissura por meio da água- e
a deposição de carbonato de cálcio, a partir do material cimentíceo.
De acordo com Hearn (1998), os fenômenos do autoreparo
autógeno já haviam sido notados em estruturas de contenção de água,
bueiros e tubulações, no final do século XIX, por Hyde & Smith
(1889).
Na década de 1920, uma análise mais sistemática do
autoreparo autógeno foi relatada por Glanville (1931). Em seguida, a
autoreparo autógeno de fissuras também foi investigada em pontes de
concreto (Soroker & Denson, 1926; Brandeis, 1937).
Lauer & Slate (1956), demonstraram que a resistência à tração
medida perpendicularmente ao plano de corte aumentou após a
autocorreção autógeno de trincas. Nesse estudo, a influência da idade
e das condições de cura também foram levadas em consideração.
27
O autoreparo autógeno de fissuras foi relatada como
consequência da precipitação de carbonato de cálcio, devido ao
escoamento da água através de rachaduras (Clear, 1985).
O efeito da autoreparo autógeno em fissuras que permitiam o
vazamento de água foi extensivamente estudado por (Clear, 1985;
Hearn, 1992; Edvardsen, 1999).
Turner (1937) in Ferrara et al., (2016), afirma que a ação da
autoreparo autógeno pode ter um valor prático em várias aplicações
[...], principalmente nas unidades pré-fabricadas (durante o recente
manuseio e/ou condução), selando contra a corrosão e reconectando as
fissuras desenvolvidas nos tubos de concreto; no fechamento das
fissuras do concreto em tanques de água; na recuperação da
resistência, após perda, em concretos “verdes/antes da pega”, que
sofreram perturbação por vibração.
Os ganhos obtidos devido ao fechamento das fissuras trazem
como benefício o aumento da durabilidade. A redução do ingresso de
cloreto através de fissuras devido à autorrecuperação autógeno foi
relatada por (Fidjestol & Nilsen, 1980; Ramm & Biscoping, 1998;
Otsuki et al., 2000). Ferrara et al., (2016), citando Hearn (1998);
Edvardsen (1999) e Aldea et al., (2000), afirmam que a cura das
fissuras resultou em redução da permeabilidade da água.
A melhoria das propriedades mecânicas do concreto devido à
autoreparo autógeno também foi explorada. A recuperação da
resistência do concreto foi constatada por (Dhir et al., 1973; Granger
et al., 2007; Ferrara et al., 2014). Entretanto, conforme Lauer & Slate
28
(1956); Aldea et al., (2000) e Dhir et al., (1973), a recuperação das
propriedades mecânicas não foi significativa (Ferrara et al., 2016).
Formação de Calcita, sob condições úmidas, nas fissuras do
concreto foi citada como provável mecanismo de cura. Inchaço e
hidratação da pasta de cimento, bloqueio do fluxo da água pelas
impurezas ou por partículas de concreto, provenientes da superfície da
rachadura, e precipitação de cristais de carbonato de cálcio foram
sugeridos como possíveis produtos químicos e mecanismos físicos que
contribuem para a cura autógeno (Guppy, 1988).
De Rooij et al., (2013) propuseram uma visão geral das causas
naturais (físicas, químicas e mecânicas) do mecanismo de autoreparo
em concreto. A Figura 1, permite a visualização das causas física,
química e mecânica. Em relação a causa física, especificamente o
inchaço das partículas de cimento hidratado. Em relação às causas
químicas, a hidratação de partículas de cimento não hidratadas
contribui para selar microfissuras. No entanto, o seu sucesso depende
muito da disponibilidade de cimento não hidratado e pode ser eficaz
para um concreto jovem, onde as larguras das fissuras são
relativamente pequenas. A formação de carbonato de cálcio nas faces
da fissura é outro processo químico, sendo esse o mecanismo mais
eficaz da autoreparo autógeno do concreto (Edvardsen, 1999; Hearn,
1998). Em relação às causas mecânicas, foi relatado que o fechamento
das fissuras -por partículas finas existentes no entorno ou por
partículas quebradas, provenientes da superfície da fissura- podem
29
contribuir para um melhor mecanismo de autoreparo natural (Savija &
Schlangen, 2016).
Figura 1 – Mecanismos da autoreparo autógeno, causa física, causa química e causa
mecânica. Imagem do artigo De Rooij et al., (2013).
Os principais mecanismos de autoreparo autógeno podem ser
resumidos, conforme Huang et al., (2016), em: a) posterior hidratação
dos grãos de cimentos não hidratados; b) recristalização da Portlandita
lixiviada a partir do interior da matriz; e c) formação de Calcita. Todos
esses processos podem prosseguir simultaneamente, mas seus ritmos e
taxas são diferentes. A posterior hidratação dos grãos de cimentos não
hidratados acontece imediatamente após o ingresso da água através
das fissuras, enquanto a recristalização da Portlandita e a formação da
Calcita processam-se muito lentamente. Normalmente há pouca
concentração de íons de CO32- no interior da pasta, nesses casos a
Calcita dificilmente é formada. Contudo, os íons de CO32- podem vir,
por meio das fissuras, do meio externo, embora a difusão de íons
30
CO32- em água seja lenta. Um gradiente de CO3
2- é formado ao longo
da abertura da fissura, de maneira que, sendo maior a concentração de
CO32- junto à extremidade da fissura, haverá maior probabilidade de a
Calcita se formar próximo a boca da fissura, como observado por
Sisomphon et al., (2012). O autoreparo ocorre na medida em que
mais e mais íons de CO32- alcançam o interior da fissura. A Portlandita
formada no interior da fissura será gradualmente carbonatada,
conduzindo a mais e mais formação de Calcita. Com base nos
processos físico-químicos, pode-se concluir que os produtos da reação
formados nas fissuras se dispersam heterogeneamente e que os
componentes variam com o tempo.
Para Huang et al., (2016), embora os efeitos de auto-cura
tenham sido investigados por muitos anos, os produtos da reação
autógeno detectados pelos pesquisadores não são consistentes. Huang
et al., (2015), citando Jacobsen & Sellevold (1996) relata que os
referidos autores encontraram alguns cristais de C-S-H, que tinham
sido formados recentemente e, Portlandita e Etringita nas fissuras de
concreto de alta resistência. Referido concreto tinha sofrido
deterioração por congelamento e tinha sido curado por 3 meses em
água -expostas ao ambiente marinho-. Adicionalmente, Huang et al.,
(2016) ao citarem Huang et al., (2013) caracterizaram os produtos da
reação autógeno sobre condições de selagem, por meio de EDS, TGA,
e RXTF, eles encontraram que os principais produtos formados da
reação na pasta de cimento, com relação água/cimento igual a 0,3 foi a
Portlandita e o C-S-H. A porcentagem em massa de Portlandita em
31
relação aos produtos foi de quase 80%. Isso, para eles, indicava que
não apenas a hidratação posterior dos produtos não hidratados era
responsável pela autoreparo autógeno, mas também a recristalização
da Portlandita lixiviada da estrutura da pasta.
Conforme Cuenca et al., (2018), as partículas de Ca(OH)2
produzidas pela hidratação do cimento podem liberar íons cálcio que,
reagindo com íons carbonato na água ou dióxido de carbono ao ar,
formam precipitados de carbonato de cálcio, contribuindo também
para o fechamento das fissuras.
Para Huang et al., (2016), em geral, o concreto de alta
resistência é projetado para ter maior consumo de cimento. Na mesma
idade de cura, concreto de alto desempenho possui mais grãos de
cimento não hidratado que o concreto normal. Como resultado, maior
quantidade de produtos de hidratação pode ser formada nas fissuras
dentro do mesmo período de autoreparo. Em adição ao preenchimento
da fissura, a hidratação dos grãos de cimento não hidratados -com
maior fração nos Concretos de Alta Resistência e Concretos de Alto
Desempenho-, pode fazer a microestrutura adjacente a superfície da
fissura tornar-se muito mais densa e, assim, oferecer maior capacidade
de autoreparo. A fração de grãos de cimento não hidratados nos
concretos feitos com cimentos mais grossos, é maior do que a fração
de cimento em concretos feitos com cimentos mais finos, quando a
mistura é a mesma. Portanto, concretos feitos com cimentos mais
grossos podem oferecer maior potencial para o autoreparo autógeno,
se comparados aos produzidos com cimentos finos.
32
Conforme Qureshi et al., (2018), a formação de carbonato de
cálcio nas fissuras também desempenha um papel vital no processo de
cicatrização. É a partir do surgimento da fissura e devido a presença
da água nas fissuras que o hidróxido de cálcio se hidroliza para formar
íons de Cálcio e, é também na presença da água que o CO2 forma o
ácido carbônico, o qual na presença dos íons de hidroxila forma íons
de carbonato, água e íons de hidrogênio. Nas fissuras, os íons de
Cálcio combinam-se com os íons de carbonato para formar carbonato
de cálcio. A cristalização do carbonato de cálcio dentro da fissura é
considerada como o mecanismo primário para o autoreparo do
concreto amadurecido (Edvardsen, 1999).
Conforme Arce et al., (2019), o nitrato de cálcio foi
selecionado, como agente de cura, para explorar sua capacidade de
reagir com a matriz cimentícea e para proporcionar um aumento da
cura autógeno do concreto, após sua liberação, no interior da fissura.
O nitrato de cálcio, bem como duas fases mais relevantes no cimento,
o C3S (silicato tricálcico) e o C2S (silicato dicálcico), compartilham os
mesmos cátions (Ca2+), que aceleram a hidratação e aumentam a
cristalização de hidratos devido à ação da nucleação (Karagöl et al.,
2013; Ramachandran, 1995). Adicionalmente, o hidróxido de cálcio
tem a capacidade de reagir na presença de nitrato de cálcio para
formar hidroxinitrato de cálcio, um sal duplo básico capaz de fornecer
um esqueleto inicial para a formação de hidrossilicatos de cálcio
(Karagöl et al., 2013). Paralelamente, os íons de cálcio -fornecidos
pelo nitrato de cálcio- podem auxiliar na formação de carbonato de
33
cálcio nas fissuras, porque esses íons têm a capacidade de aumentar o
índice de saturação de Calcita, gerando um ambiente favorável para a
formação e crescimento de cristais de Calcita (Edvardsen, 1999).
Para Ferrara et al., (2016), além da presença da água, várias
outras variáveis podem afetar o fenômeno de autoreparo autógeno, tais
como a proporção da mistura (Dhir et al., 1973), o estado de tensão
através das fissuras e a estabilidade da fissura (Ngab et al., 1981),
além das condições térmicas e higrométricas (Lauer & Slate, 1956;
Reinhardt & Jooss, 2003). Reinhardt & Jooss (2003) correlacionaram
o efeito da cura autógeno com diferentes temperaturas e larguras de
fissuras.
Com referência ao tamanho máximo da abertura de fissura que
pode ser selada sem intervenção externa, um amplo intervalo de
aberturas foi reportado, as quais podem variar de 5 µm à 300 µm,
conforme Ferrara et al., (2016), citando Reinhardt & Jooss (2003);
Jacobsen & Sellevold (1996) e Sahmaran et al., (2008).
De um modo geral, as fissuras em materiais cimentíceos
precisam possuir pequena abertura para que possam ser
completamente seladas. Para Yang et al., (2009), fissuras com
abertura menor que 50 μm mostraram-se completamente cicatrizadas e
fissuras até 150 μm, mostraram-se parcialmente curadas, mas apenas
na presença da água. Ainda conforme Yang et al., (2009) e Snoeck et
al., (2012), se as fissuras não estiverem na presença da água, não
ocorrerá nenhuma forma de cura autógeno.
34
É concebível que os tipos de cimentos e adições minerais
tenham significativa influência nas propriedades do concreto. As
estruturas construídas nos anos de 1970 -com grãos de cimento com
maior granulometria- eram enfatizados devido a boa durabilidade.
Partículas de cimento -com grãos maiores- aumentam o potencial de
autoreparo autógeno nas fissuras que surgem em períodos posteriores,
durante a vida útil da estrutura. Mais análises sobre a influência do
tamanho das partículas de cimento no autoreparo autógeno é
necessária (Huang et al., 2016).
Conforme Qian et al., (2009), fissuras menores (60 mm), em
compósitos cimentíceos contendo escória de alto forno e pó de
calcário reforçados com fibras foram curadas eficientemente devido a
formação de carbonato de cálcio CaCO3.
Zhou et al., (2011), analisando o desempenho de concretos
aditivados, em relação ao autoreparo autógeno, usando como
referência o aumento da resistência à compressão antes e depois da
cura, produziram concretos tanto com cinza volante, quanto com
escória de alto-forno, em diferentes teores (20, 30 e 40%) e
concluíram o que melhores desempenhos foram obtidos quando
substituiu-se o cimento por 40% de cinza volante e no caso da escória
de alto-forno, quando a substituição foi de 30%.
Qiu et al., (2016), analisaram o desempenho da cicatrização
autógeno, com base na redução da largura de fissura, recuperação da
frequência de ressonância e análise microestrutural em compósitos
cimentíceos engenheirados, nos quais foram empregados diferentes
35
teores de escória de alto-forno, diferentes aberturas de fissuras e
diferentes condições de cura. Os resultados mostram que a
cicatrização autógena é determinada por um efeito duplo de
propriedades físicas -largura da fissura-, composições químicas -teor
de escória- e condições ambientais -alcalinidade condicionante-. Para
um determinado teor de escória e certa alcalinidade, existe uma
largura máxima permitida de fissura para a cura completa, além da
qual apenas uma cura parcial ou nenhuma cura aconteceria. O produto
de cura dominante para a condição de umedecimento e secagem é
CaCO3, enquanto que o ciclo de umedecimento -em solução de NaOH
e secagem, promove a hidratação da escória, o que resulta na
formação de C-S-H e CaCO3, como principais produtos de cura. Qiu
et al., (2016), concluíram que a precipitação de CaCO3 é mais efetiva
para a cura autógena do que a formação de C-S-H.
Considerando-se que a escória de alto forno e cinza volante
reagem mais lentamente que o cimento, esses cimentos oferecerão
maior reserva hidráulica e maior pozolanicidade e estarão disponíveis
dentro da matriz endurecida, revelando maior potencial para produzir
autoreparo nas fissuras, por meio da hidratação adicional, apesar de
que tanto a escória de alto-forno quanto a cinza volante consumirem
hidróxido de cálcio durante essas reações, o que pode trazer como
consequência redução na formação de carbonato de cálcio, o qual para
formação também demanda Ca(OH)2.
Tittelboom et al., (2012) analisaram o comportamento do
autoreparo em pastas e argamassas aditivadas com escória de alto-
36
forno e cinza volante e fíler calcário. Para analisar o autoreparo
autógeno empregaram calorimetria isotérmica e medidas de
permeabilidade à água. As principais conclusões obtidas foram as
seguintes: a) o processo natural de cura autógeno das fissuras pode ser
obtido por diferentes mecanismos, entre os quais a hidratação e a
precipitação de CaCO3 são os processos mais importantes; b) a
precipitação do carbonato de cálcio requer tanto água quanto o CO2 ;
c) a calorimetria isotérmica e medidas de permeabilidade à água
permitiram estudar a influência do tipo de aglomerante e a relação
água/aglomerante na eficiência de cura; d) nas superfícies das fissuras
investigadas, a precipitação de CaCO3 foi o efeito mais dominante; e)
ao determinar a recuperação nas propriedades mecânicas, ambos os
mecanismos influenciaram os resultados do teste; f) as reações de
hidratação continuaram por um longo período de tempo e finalmente a
produção de calor tornou-se maior quando parte do cimento foi
substituído por materiais aglutinantes hidráulicos ou pozolânicos
latentes. Isso corresponde à maior eficiência de cura dessas misturas
no teste de permeabilidade à água; g) tanto no teste de permeabilidade
à água quanto nas medições calorimétricas, percebeu-se que com o
aumento na relação água/aglomerante das misturas CEM I de 0,4 para
0,5 houve redução na eficiência do autoreparo autógeno da fissura; h)
as extremidades das fissuras com largura abaixo de 200 µm poderiam
fechar completamente, devido a precipitação do CaCO3; i) a
substituição de cimento por escória de alto forno ou a cinza volante
melhora a eficiência da cura autógeno das fissuras, quando a
37
hidratação, desde que haja contínua hidratação; j) dentre os materiais
aglutinantes alternativos, a escória de alto forno apresenta melhor
desempenho, ou seja, as vantagens são mais pronunciadas quando a
escória de alto forno é usada como substituto do cimento.
Adições minerais compatíveis podem melhorar a capacidade
do autoreparo de materiais cimentíceos tradicionais, aumentando a
formação de produtos de autoreparo. Dentre as adições minerais
suplementares, têm-se, além da escória de alto-forno, da cinza-volante
e do fíler calcário, as seguintes adições: silicato de sódio, sílica ativa;
nano sílica; metacaulim; e cinza de casca-de-arroz.
Espera-se que estudos nos quais se empregue a combinação de
adições minerais suplementares, com mecanismos complementares e
juntamente com fibras sejam conduzidas. Adicionalmente, espera-se
que, para minimizar o impacto ambiental, o estudo do autoreparo
autógeno seja também realizado empregando-se os cimentos álcali-
ativados.
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43
CAPÍTULO 3
Mecanismos de autoreparo com adições minerais
3.1 Adições minerais expansivas
Pesquisas em campo, empregando minerais expansivos,
mostraram que eles podem melhorar a cura autógeno em materiais à
base de cimento (Qureshi & Al-Tabbaa, 2014 e 2016). Qureshi et al.,
(2018) afirmam que a ótima ação expansiva dos minerais promove a
formação de produtos de hidratação eficientes, que não só podem
selar, mas também curar as rachaduras, relata ainda que os minerais
comumente utilizados, por diferentes pesquisadores, são os seguintes:
a) sulfoaluminato de cálcio; b) cal; c) argila bentonítica; d) cinza
volante (FA); e) sílica ativa (SF) e f) escória de alto forno (BFS). No
entanto, uma vez adicionados à mistura do concreto, como materiais
suplementares, eles reagem parcialmente com os produtos de
hidratação e a água presente no composto à base de cimento. Portanto,
seu potencial de autoreparo é parcialmente reduzido. Entretanto, por
meio do encapsulando, os minerais em pó ficam protegidos do resto
dos constituintes da mistura. Portanto, um desempenho de autoreparo
mais eficiente é esperado. As vantagens do sistema de encapsulamento
podem ser atribuídas a: (i) liberação de minerais curativos quando
necessários, ou seja, logo após a ocorrência de danos e (ii)
44
disseminação dos minerais para as fissuras por dispersão e difusão
(Qureshi et al., 2016).
Os agentes cristalizantes expansivos empregados em materiais
cimentíceos podem melhorar a capacidade de autoreparo dos
concretos e argamassas, se utilizados de maneira apropriada.
Entretanto, se um agente expansivo for misturado -sem qualquer
proteção- ao cimento, após a adição da água, o agente expansivo irá se
hidratar simultaneamente com o cimento e, às vezes, até mais rápido
que as partículas de cimento, para formar hidratos expansivos, os
quais irão depender dos componentes (Yamazaki et al., 1980;
Nagataki & Gomi, 1998). Portanto, caso não sejam adotados
procedimentos para impedir essa reação prematura dos produtos
expansivos, haverá uma expansão na matriz cimentícia, que poderá
conduzir à falha da matriz e, consequentemente, queda brusca da
resistência, ou até perda total de resistência, conforme já confirmado
em pesquisas realizadas por (Mehta, 1973; Bentur & Ish-Shalom,
1974; Ish-Shalom & Bentur, 1975; Cohen, 1983). Em decorrência
disso, precauções devem ser adotadas, quando agentes expansivos
forem usados, pois se os agentes expansivos forem consumidos
prematuramente ou de forma desnecessária, quando as fissuras
surgirem eles não fornecerão os produtos expansivos, -resultados da
hidratação- para preencher as mesmas.
O método de encapsulação dos agentes expansivos em (micro)
cápsulas, pode ser uma alternativa. Caso os agentes expansivos sejam
adequadamente acondicionados e, a depender do tipo de mineral
45
empregado, pode-se obter uma ou ambas funções, que são: a)
permanecer consideravelmente não hidratado, na fase de mistura
inicial e, b) produzir compostos hidratados expansivos compatíveis,
que possam curar fissuras, quando elas surgirem (Qureshi et al.,
2018).
Em relação às adições minerais expansivas em potencial, é
requerido que permaneçam substancialmente desidratadas, após a
produção inicial de concreto e, posteriormente, espera-se que uma
parte dos produtos da hidratação primária e os minerais remanescentes
não hidratados contribuam para o processo de cicatrização autógeno
(Qureshi et al., 2018).
3.2 Adições minerais cristalizantes
Para Roig-Flores et al., (2015) os aditivos cristalinos (AC) são
um tipo especial de aditivos redutores de permeabilidade (ARP),
conforme relatado pelo Comitê da ACI-212. Em contraste com os
produtos hidrofóbicos, esses materiais são hidrofílicos, e isso os faz
reagir facilmente com água. As adições minerais cristalizantes são
formadas por componentes químicos ativos, contidos no cimento e
areia (Roig-Flores et al., 2015; Ferrara et al., 2016), as quais, devido
sua natureza altamente hidrofílica, são capazes de reagir com a água,
partículas de cimento e, também com a fase solúvel dos produtos da
hidratação do cimento (Ca (OH)2) e formar silicato de cálcio hidratado
e outros precipitados bloqueadores de poros. Esses produtos de
reação, por um lado, aumentam densidade da fase C-S-H e, por outro,
46
depositam-se nos capilares e microfissuras existentes, ativando o
processo de autorreparação (Ferrara et al., 2016). Os depósitos
cristalinos tornam-se parte da matriz, ao contrário dos materiais
hidrofóbicos e são capazes de resistir a pressões tão altas quanto 14
bars (Roig-Flores et al., 2015; Ferrara et al., 2016).
Durante caracterização do aditivo cristalizante, empregado em
pesquisa realizada por Ferrara et al., (2016), os mesmos constataram
o seguinte: a) o aditivo possui forma irregular e tamanho que varia de
1-20 μm; b) a morfologia é similar aos grãos de cimento; c) na análise
de raios-X por energia dispersiva confirmou-se a presença de cálcio,
oxigênio, silício, magnésio, alumínio e potássio.
Dentre os aditivos cristalizantes, tem-se o Penetron Admix, o qual
consiste de uma mistura de cimento, areia e sílica ativa. Essa mistura
reage com a água no concreto fresco e com os produtos de hidratação
do cimento e forma um composto cristalino não solúvel, a qual
promove a vedação das fissuras (Cuenca et al., 2018). Na ficha técnica
do PENETRON ADMIX® há um conjunto de
informações/recomendações, dentre elas, citam-se as seguintes: a)
nunca adicionar o PENETRON ADMIX® em pó diretamente ao
concreto úmido -uma vez que isso pode causar a formação de grumos
e dificultar uma dispersão correta-; e b) o consumo em relação a
massa de cimento deve ser de “0,8%”. Não obstante, deve-se relatar
que em várias pesquisas o consumo adotado tem ficado em torno de
1%.
47
Ferrara et al., (2016), consideram que as fissuras continuarão
a surgir ao longo da vida do concreto e, por causa disso, seria também
desejável que as adições minerais cristalizantes armazenem
capacidade de autoreparo "latente" para autoreparar futuras fissuras.
Essa capacidade idealmente contribuiria para uma recuperação das
propriedades mecânicas e de engenharia do compósito e, também seria
dependente das condições de exposição e das durações e das
condições de mecanismos de cura.
Borg et al., (2017) avaliaram a capacidade de
autoreparo de argamassas, com traço de 1:3:0,55, produzidas com
adições de cinza volante e sílica ativa, (em substituição à massa do
cimento 20% e 15%, respectivamente) e com um aditivo cristalizante,
1%, (em relação a massa do cimento). As amostras foram submetidas
à tensões que produziram aberturas de fissuras de 0,0 a 0,15 mm, de
0,15 a 0,3 mm e superiores a 0,3 mm. As argamassas fissuradas foram
expostas a ambientes com diferentes concentrações de cloreto de
sódio, à ciclos de umedecimento e secagem. O comportamento do
processo de autoreparo foi acompanhado por 3 meses. O mecanismo
de autoreparo das fissuras foi analisado considerando as seguintes
condições: imersão contínua; ciclos de umedecimento e secagem, em
soluções de cloreto de 33 g/l e de 165 g/l. Analisando-se os resultados,
obtidos por Borg et al., (2017), pôde-se concluir, de uma maneira
bastante ampla, que as argamassas investigadas apresentaram
diferentes potenciais de autoreparo, os quais dependiam,
principalmente dos seguintes fatores: a) da abertura da fissura; b) do
48
tipo e teor de adições empregadas; e c) das condições e tempo de
exposição. Além disso, os pesquisadores concluíram que, em vários
casos, quanto maior o teor de cloreto, melhor e, mais rapidamente a
autoreparo acontecia, provavelmente, devido ao efeito de sinergia
entre as reações de vedação (hidratação atrasada e/ou carbonatação) e
ligação com os cloretos. Constataram que a capacidade de autoreparo
da fissura diminuía com o aumento da abertura. Concluiram, que as
misturas com o aditivo cristalizante apresentaram bom desempenho
mesmo sob exposição ao ar livre.
Com referência a aberturas de fissuras e condições de exposição, abre-
se o caminho para revisar a significância de um parâmetro de projeto
de manutenção, como é a abertura de fissura permitida em função da
exposição, versus o conceito de abertura de fissura autocicatrizável.
Ferrara et al., (2016) realizaram pesquisas para analisar o
desempenho do autoreparo, usando como referência a capacidade de
recuperação de carga e capacidade de autoreparo, empregando
aditivos cristalizantes, tanto em concreto convencional, quanto em
compósitos cimentíceos reforçados com fibras de alto desempenho
(HPFRCCs). Para o estudo do concreto convencional empregaram
vigas de 50 cm de comprimento, 10 cm de altura e 5 cm de espessura,
as quais foram ensaiadas na flexão a três pontos, após terem sido
curadas entre 35 e 42 dias em câmara úmida com 20ºC e umidade
relativa de 95%. O ensaio foi realizado com deformação controlada
até obter-se abertura residual de 130 e 250 micrometros. As amostras
foram curadas em água a 20ºC e ao ar. Após 1,3,6 e 12 meses as vigas
49
foram novamente ensaiadas e os resultados das respostas entre pré e
pós-condicionamento foram comparadas, com o objetivo de verificar
se houve alguma capacidade de recuperação de carga e da rigidez.
Eles concluíram que tanto no concreto convencional, quanto no
compósito cimentíceo reforçado com fibras de alto desempenho, o
aditivo cristalizante aumenta e torna mais confiável a capacidade de
autoreparo. No caso do (HPFRCC), a autorecuperação pode ser
bastante significativa, devido ao alto teor de aglomerante e baixa
relação água/materiais cimentíceos e, consequentemente, devido à
maior probabilidade de reações de hidratação posteriores. Além disso,
no caso de HPFRCCs, o desempenho medido no material cicatrizado,
contendo aditivo cristalizante, foi significativamente melhor do que
nas amostras de referência. Os pesquisadores apresentam como
argumento a existência de algum tipo de “pré-tensionamento químico”
interno das fibras, o qual pode ter sido desencadeado devido reações
expansivas das misturas. De qualquer maneira, eles afirmam que esse
comportamento precisa ser investigado mais sistematicamente.
Concluíram ainda que, em quase todas as situações investigadas, nas
quais o aditivo cristalizante foi empregado, a maior parte da
recuperação do desempenho mecânico ocorreu após curto tempo de
exposição (1 mês). De outra parte, o fato de a recuperação ter
continuado, mesmo que em menor proporção, após prolongado tempo
de exposição é, provavelmente, uma garantia da eficácia, a longo
prazo e, também, sobre a repetibilidade dos fenômenos de autoreparo,
50
o que pode ser visto de forma muito positiva, dado que fissuras podem
surgir ao longo do tempo, em locais diferentes da primeira fissura.
Cuenca et al., (2018) analisaram o desempenho de um
concreto com fibras de aço, em relação a capacidade de selagem das
fissuras, com e sem adições minerais cristalizantes, submetido a ciclos
de carregamento. As conclusões foram as seguintes: a) a exposição
ambiental é o fator mais determinante para a capacidade de
autoselagem; b) as amostras expostas ao ar livre exibem baixa
vedação de rachaduras; c) o resultado mais frequente para amostras
imersas em água é a vedação completa das fissuras, mesmo sob
repetidos ciclos de fissuração e cura e até um ano após a primeira
fissura; d) a vedação completa da trinca foi observada apenas para
amostras permanentemente ou periodicamente imersas em água e
tendo largura de fissura inferior de 0,30 mm; e) a autovedação,
induzida pelas adições cristalinas, é mais relevante em fissuras
estreitas de até 0,15 mm de largura, quando permanentemente imerso
em água; f) o efeito das adições cristalinas persiste após repetidos
ciclos de fissuração e cura por até um ano. Ao contrário, a capacidade
de autoselagem do concreto de referência, após repetidos ciclos de
fissuração e cura, começa a diminuir depois de 1 ano,
independentemente das condições do experimento.
Pesquisa realizada por Azarsa et al., (2019), para verificar o
desempenho de um aditivo cristalizante, em relação às propriedades
de durabilidade, na qual foram produzidas misturas de concreto com e
sem aditivo cristalizante, com diferentes cimentos, (Cimento Portland
51
Comum e Cimento Portland com filler cálcario), revelou que o aditivo
cristalizante afetou as propriedades reológicas do concreto, no estado
fresco, reduzindo o abatimento (Slump-test), devido sua natureza
hidrofílica e, aumentou o teor de ar ao concreto. No estado
endurecido, em relação à resistência à compressão, houve acréscimo
de 11% e 8%, quando utilizaram o cimento Portland comum e o
cimento com filer calcário, respectivamente. Conforme os autores,
uma possível razão para o aumento da resistência à compressão nos
concretos, com aditivo cristalizante, pode estar associada ao efeito de
preenchimento, o qual pode contribuir para o fechamento ou
preenchimento de vazios, mas também pode-se associar ao
funcionamento de um ativador de hidratação ao cimento, o qual
conduz ao melhorando a microestrutura da pasta de cimento. No
estado endurecido, referidos pesquisadores chegaram às seguintes
conclusões: a) concretos tratados com aditivo cristalizante tiveram
profundidade de penetração quase 50% menor do que as misturas de
referência e, portanto, menor coeficiente de permeabilidade; b) as
amostras de concreto produzidas com cimento Portland comum,
aditivadas com aditivo cristalizante, apresentaram profundidade de
penetração à água 20% menor do que os não tratados; c) as amostras
de concreto produzidas, com cimento com filer calcário, aditivadas
com aditivo cristalizante, apresentaram profundidade de ´penetração à
água 37% menor do que as não aditivadas e, d) geralmente, a
profundidade média de penetração da água parece ser um melhor
indicador para determinar o coeficiente de permeabilidade à água do
52
que aqueles obtidos a partir da profundidade máxima.
Adicionalmente, concluíram que as amostras que continham aditivo
cristalizante apresentaram desempenho ligeiramente superior às
amostras de referência, com relação ao autoreparo e ao fluxo de água.
Finalmente, constataram que o uso de aditivos cristalizantes ajuda a
melhorar a resistência à penetração de cloretos e, que esse ganho
aumenta com o aumento da idade do concreto. Implementaram a
segunda lei de Fick, ao propor equações para predizer o teor de
cloretos de amostras modificadas e de controle, em concreto com
cimento Portland comum e em concreto com cimento com filer
calcário, curadas por 28 e 56 dias.
3.3 Adições minerais combinadas
Tendo-se como objetivo enfatizar a possibilidade do emprego
da combinação de duas ou mais adições minerais, relata-se, para
exemplificar, algumas pesquisas, dentre elas a de Kishi et al., (2007),
que estudaram as propriedades de autoreparo de concretos fissurados
incorporando agente expansivos como uma substituição parcial de
cimento. As propriedades de autoreparo foram investigadas em termos
de recristalização do concreto fissurado, bem como a partir dos efeitos
de vários carbonatos na recristalização. Para investigar o efeito da
recristalização cimentícea, foram empregados três diferentes
carbonatos, NaHCO3, Na2CO3 e Li2CO3. A morfologia e a forma e
tamanho das partículas precipitadas nas fendas foram examinadas por
microscopia. Os resultados mostraram que concreto fissurado, no qual
53
havia sido incorporado agente expansivo exibiu comportamento de
autocorreção muito mais elevado do que no concreto normal
fissurado, quando curados em água, após a fissuração. Os carbonatos
parecem ser eficazes na indução da precipitação de sais de cálcio nas
fissuras, devido ao aumento geral dos íons OH- e devido a
concentração de SO42- na solução de poros. O agente expansivo
também parece desempenhar um papel importante na formação de
várias fases de AFm e Hemicarboaluminato para as fases cristalinas.
A partir dos resultados obtidos, os pesquisadores consideraram ser
desejável a utilização de dosagens adequadas de agente expansivo e
carbonatos para a autoreparo de concretos fissurados. Além disso,
para estruturas subterrâneas, cercadas por águas subterrâneas, o
processo de autoreparo pode ser útil.
Ahn & Kishi (2010), os quais compararam a capacidade de
autocorreção de compósito cimentíceo com várias composições e
adições minerais expansivas, geo-materiais e agentes químicos. O
agente expansivo utilizado foi o tipo K, o qual é composto por três
misturas minerais: C4A3 S (hauyne), CaSO4 (anidrite) e CaO (cal
livre) e dois geomateriais (A, B). O geomaterial A possuía um teor de
SiO2 de 71,3% e um teor de Al2O3 de 15,4%. Esse geomaterial quando
analisado por difração de raios revelou que era constituído,
principalmente de SiO2 e hidróxido de silicato de alumínio e sódio.
Ele também continha montmorilonita, feldspato e quartzo, e seu
inchaço é causado principalmente pelo inchaço da montmorilonita,
que é um mineral argiloso que incha. Este tipo de geo-material incha
54
15-18 vezes, em relação ao seu volume seco, quando fica molhado. A
composição química do geomaterial B também era semelhante à
estrutura do geomaterial A, no entanto, sua composição química era
um pouco diferente. No caso do agente químico, vários tipos de
carbonatos, tais como, NaHCO3, Na2CO3 e Li2CO3 (etc.) foram
selecionados para fornecer o efeito de recristalização cimentícia com
agente expansivo em vazios de ar, no concreto rachado. Referidos
pesquisadores concluíram que a fim de melhorar a capacidade de
autoreparo em sistema cimentíceo com relação água-aglomerante
normal, sugere-se que termos especiais tais como: expansão, dilatação
e precipitação sejam considerados para o projeto de materiais e na
aplicação prática, também concluíram que capacidade de autoreparo é
significativamente afetada por materiais de aluminossilicato e vários
compostos de cálcio modificados. Além disso, descobriram que
aditivos químicos e minerais afetam significativamente a formação de
produtos de reidratação com alta estabilidade química, bem como
velocidade de autocorreção. Adicionalmente, os resultados obtidos
mostram que a fissura de concreto foi significativamente
autorecuperada em até 28 dias, após cura continuada. Nos casos em
que a largura da fissura era de 0,15 mm, constataram autoregeneração,
após 3 dias em cura e, que a largura da fissura diminuiu de 0,22 mm
para 0,16 mm, após a nova cura por 7 dias. Ademais, foi quase
completamente autorecuperada, após 33 dias. Verificou-se que esse
fenômeno ocorreu principalmente devido ao efeito de inchaço, efeito
de expansão e recristalização. A partir destes resultados, considera-se
55
que a utilização de dosagens adequadas de geomateriais tem um alto
potencial para um dos novos métodos de reparação de concreto
fissurado, com escoamento de água, em obras de infraestrutura
subterrâneas, tais como os túneis.
Jiang, et al., (2014) analisaram a capacidade de autoreparo de
argamassas, com traço 1:2:0,45, utilizando três adições minerais, em
ambiente subterrâneo. Para tanto empregaram, íons de carbonato
(CO3-2), aditivo expansivo (sulfoaluminato de cálcio) e, metacaulim
natural. Eles analisaram a capacidade de autoreparo, utilizando como
referência o comportamento das propriedades mecânicas, referindo-se
ao módulo de elasticidade dinâmico, a restauração da carga e a
permeabilidade à água. A análise do desempenho da autoreparo,
medido por meio do ensaio de permeabilidade, revelou que as
amostras aditivadas com metacaulim apresentaram brusca queda na
permeabilidade, após a autoreparo das fissuras, as amostras aditivadas
com íons de carbonato apresentaram desempenho bastante inferior,
mas ainda superior a amostra de referência, ao passo que nenhuma
melhoria perceptível foi observada para nas amostras aditivadas com o
agente expansivo. Em relação à capacidade de recuperação da
resistência à compressão, as misturas aditivadas com íons de cálcio e
com 16% de aditivo cristalizante apresentaram o melhor desempenho,
seguidas das misturas aditivadas com metacaulim, com 10% de
aditivo cristalizante, as misturas aditivadas com sulfoaluminato de
cálcio e com 10% de aditivo cristalizante tiveram o mesmo
desempenho que a mistura de referência.
56
Kanellopoulos et al., (2015), relataram a eficácia de um
sistema paralelo de cápsulas de vidro de paredes finas, com
precursores líquidos de SiO2 encapsulados e, silicato de sódio e pó de
MgO, como materiais de cura. O estudo mostrou que o silicato de
sódio e a sílica coloidal melhoraram drasticamente o desempenho de
durabilidade das amostras das argamassas fissuradas. Os resultados do
pó de MgO também foram promissores; no entanto, seu desempenho
em relação à cura mostrou-se limitado. Eles constataram que isso
ocorreu devido à reduzida dispersão do material no plano da fissura.
Para contornar essa limitação, Qureshi et al., (2016) deram
continuidade à pesquisa e desenvolveram um sistema de
macrocápsulas concêntricas de vidro, com a cápsula interna contendo
água e a cápsula externa contendo os minerais em pó, conforme
(Figura 2).
(a)
(b)
Figura 2 - Autoreparo, com adições minerais empregando macrocápsulas de vidro
concêntricas: (a) Liberação de minerais expansivos nas fissuras através da dispersão e
difusão, após a formação de fissuras; (b) Imagem da macrocápsua. Imagem
proveniente de Qureshi et al., (2016).
57
Qureshi et al., (2016), analisaram o desempenho dos
mecanismos de autoreparo em argamassas, empregando
macrocápsulas, com diferentes adições minerais. As cápsulas, como já
descrito previamente, eram duplas. Externamente continham adições
minerais e, internamente continham água. Para referido estudo, as
macrocápsulas foram colocadas no interior dos prismas de argamassa,
conforme Figura 3(a), na parte inferior, Figura 3(b) e, o ensaio
empregado para produzir as fissuras foi o de flexão a três pontos,
Figura 3(c). A Figura 3, permite a visualização da metodologia
empregada.
(a)
(b)
(c)
Figura 3 - Procedimentos adotados por Qureshi et al., (2016) para analisar o
desempenho do autoreparo. (a) posicionamento das cápsulas no interior dos prismas;
(b) representação esquemática do posicionamento das cápsulas; (c) ensaio de flexão a
três pontos, para produção das fissuras.
Os pesquisadores analisaram o efeito das diferentes condições
de exposição no desempenho do autoreparo. Para tanto, realizaram
ensaios de ensaios de microscopia, no qual acompanharam o
desenvolvimento dos materiais de cura, ao longo de 56 dias.
Paralelamente, realizaram ensaios de absorção e também a
recuperação da capacidade de recuperação de carga. As adições
minerais empregadas foram, MgO; Bentonita e CaO e combinações,
58
no Quadro 1 pode-se verificar os minerais empregados e as condições
de exposição investigadas.
Quadro 1 - Série de ensaios realizados por Qureshi et al., (2016), para analisar o
desempenho do autoreparo com adições minerais.
Ensaios para analisar o desempenho do autoreparo face às diferentes condições
de exposição
Código Minerias Encapsulado Condições de exposição
Imerso # Alta-
umidade
Ambiente
COM Não Não xxx xxx
MD MgO Sim xxx xxx xxx
PC-D PC Sim xxx xxx xxx
BD Bentonita Sim xxx xxx xxx
QD CaO Sim xxx xxx xxx
OPT-D* MgO,
CaO,
Bentonita
Sim xxx xxx xxx
SHC-D** PC-MgO, Sim xxx xxx xxx
CaO e
Bentonita
*PC é um cimento Portland, Tipo N, classe 52,5 MPa, de acordo com BS EN 197-
1.**OPT-D refere-se a uma combinação ótima que consiste de apenas minerais
expansivos (40% MgO, 40% CaO e 20% bentonite); ***SHC-D refere-se a uma
combinação de cimento auto-reparador que consiste em 87,5% de PC com 5% de
MgO, 5% de CaO e 2,5% de bentonite.# Alta umidade: as amostras foram colocadas
em caixas seladas com umidade superior a 90%.
As principais conclusões são apresentadas, a seguir:
a) o desenvolvimento dos materiais cicatrizantes ou curativos
junto às fissuras ou no interior delas ficou condicionado à presença da
água; b) o efeito das condições de exposição sobre o desempenho da
cura nas fissuras foi muito significativo; c) nas amostras colocadas na
condição de cura imersa o desenvolvimento dos materiais curativos
59
foi superior, em comparação às amostras expostas a condição de alta
umidade e à condição de cura ambiente. Para deixar essa diferença de
desempenho evidente, construíram os gráficos da Figura 4, os quais
apresentam o comportamento do autoreparo após 28 e 56 dias, em
diferentes condições de exposição.
(a) (b)
Figura 4 – Eficiência da cura das fissuras em diferentes condições de exposição, (a)
aos 28 dias e (b) aos 56 dias. Imagem proveniente de Qureshi et al., (2016).
Amostras curadas na condição imersa em água, empregando
as diferentes adições minerais e combinações entre elas, apresentaram
eficiência de vedação que oscilou em torno dos 90%, aos 28 dias e
mais de 95% em 56 dias. Embora as amostras de cápsula de bentonita
(BD) tenham apresentado a menor taxa de impermeabilização de todos
os minerais investigados (80 a 85%) em 28-56 dias, ela ainda foi
maior que as amostras de argamassa de controle (68% 75%).
A pesquisa também revelou que a combinação de minerais
apresentou desempenho de autoreparo mais consistente, seguido do
60
desempenho de amostras encapsuladas PC, MgO, cal virgem,
bentonita e amostras de controle. Também foi constatado que;
inicialmente, os produtos de hidratação como Ca (OH)2, Mg(OH)2, C-
S-H, e hidratos de alumino-silicato se formam e se expandem nos
espaços vazios das fissuras e, que, com o tempo, o CO2 (atmosférico
ou dissolvido em água) reage com produtos hidratados e reativos,
formando vários carbonatos e hidrocarbonatos.
Além disso, os pesquisadores, por investigação macroscópica
e microscópica, constataram a formação de uma camada de produtos,
do tipo mais cristalina, na periferia das fissuras, a qual se desenvolveu
até selar as fissuras e, que a densificação de camadas cicatrizantes foi
ampliada com a presença de mais íons não reagidos nas fissuras.
Concluíram também que os vínculos de ligação na fissura ocorrem por
meio da formação efetiva de compostos cicatrizantes, os quais não só
causam efetiva impermeabilização das fissuras, mas melhoram a
durabilidade e, também, são responsáveis por considerável ganho de
resistência mecânica. Constataram que o sistema de macrocápsulas
proposto é eficiente no autoreparo de fissuras com até 400
micrometros, contudo, faz-se indispensável relembrar que a fissura foi
produzida nas proximidades do tubo de vidro, para que o mesmo
rompesse e, assim, liberasse as adições minerais. Além disso, o
mecanismo só foi eficiente quando as amostras ficaram totalmente
submergidas. Por outro lado, na prática, é difícil precisar o local do
surgimento da fissura, essa imprevisibilidade implica em mais uma
61
dificuldade operacional. Adicionalmente, deve-se considerar os custos
de produção e mão-de-obra envolvida no referido processo.
Qureshi et al., (2018) analisaram o desempenho de adições
minerais expansivas individualmente e combinadas de diferentes
maneiras, empregando em suas pesquisas pastas. A análise do
desempenho do autoreparo foi realizada a partir dos seguintes ensaios:
a) capacidade de recuperação da resistência à flexão; b) vedação das
fissuras; e) ensaios de permabilidade. Além disso, os produtos
formados nas fissuras foram analisados empregando-se DRX, TGA e
SEM-EDX. Referidos pesquisadores empregaram pasta com materiais
cimentíceos, que possuiam relação água/materiais cimentíceos que
oscilou entre 0,285 e 0,36. As pastas foram produzidas com diferentes
teores de adições minerais, as quais foram substituídas por cimento. A
relação água/materiais cimentíceos foi ajustada para manter a mesma
consistência das pastas. O quadro 2, apresenta as adições, proporções
e misturas empregadas na referida pesquisa.
62
Quadro 2 - Adições minerais individuais e combinadas e suas devidas proporções.
Misturas PC (PC) MgO (M) Bentonita (B) Cal virgem (L) Água
Minerais Individuais
COM (PC 100) 100 28,5
PC97,5M2,5 97,5 2,5 29,2
PC95 M5 95 5 30
PC90M10 90 10 33
PC97,5B2,5 97,5 2,5 30,3
PC95B5 95 5 32
PC90B10 90 10 35,5
PC97,5L2,5 97,5 2,5 29,5
PC95L5 95 5 30,5
PC90L10 90 10 32,5
Minerais combinados PC (PC) MgO (M) Bentonita (B) Cal virgem (L) Água
PC90M5B5 90 5 5 33,5
PC85M10B5 85 10 5 35
PC90M5L5 90 5 5 32
PC85M10L5 85 10 5 33
PC85M5B5L5 85 5 5 5 35,5
PC80M10B5L5 80 10 5 5 36
Dados obtidos de Qureshi et al., (2018).
63
Dentre as conclusões, tem-se as seguintes: a) em relação a
resistência nenhuma pasta produzida com a combinação de adição
individual e cimento resultou em resistência superior a amostra de
referência, nem mesmo quando foram produzidas pastas com um
conjunto de adições; b) em relação a capacidade de autoreparo foi
possível identificar um aumento da capacidade de autoreparo com o
tempo de exposição, em todas as amostras. O Gráfico 1 apresentado,
revela os diferentes desempenhos, em função das adições empregadas
individualmente ou de forma combinada.
Figura 5 - Gráfico do comportamento do autoreparo em função do tempo e dos
minerais expansivos empregados.
A partir do gráfico é possível concluir que em relação as
adições minerais individuais a que apresentou melhor desempenho foi
aquela pasta em que a combinação foi de 90% de cimento e 10% de
64
Bentonita, (PC90B10), para a idade de 28 dias. Para as pastas com
adições minerais combinadas o melhor desempenho foi apresentado
pela combinação de 90% PC, 5% de MgO e 5% de Bentonita.
Em relação a capacidade de recuperação da resistência à
flexão os resultados foram os seguintes:
Para a grande maioria das amostras a capacidade de
recuperação foi inferior a 35%, com exceção das misturas produzidas
com PC85M5B5L5, a qual apresentou recuperação próxima aos 40%
e a mistura PC90M5B5, que recuperou a resistência à flexão em 60%.
Em relação ao desempenho do autoreparo por meio da
permeabilidade a gás, os resultados serão apresentados na forma de
gráfico, na figura 6, para melhor entendimento. Os gráficos são
provenientes de Qureshi et al., (2018).
65
Figura 6 – Comportamento da permeabilidade ao gás após autoreparo de pastas com
adições minerais individuais e com adições minerais combinadas, fonte Qureshi et
al., (2018).
Analisando-se o gráfico é possível constatar que o
desempenho das pastas com adições minerais é bem variado, contudo
percebe-se que as misturas PC95M5, PC90M10 e PC90L10, têm os
melhores desempenhos e, quando se analisa o desempenho das pastas
com adições combinadas e levando em consideração a variância,
apenas a amostra PC80M10B5L5 difere das demais. Excluindo-se
essa mistura, pode-se concluir que as misturas com adições
combinadas foram mais eficientes que as misturas com adições
simples.
Além dessas constatações, os autores concluíram que os
produtos resultantes da hidratação e do inchaço das adições minerais
expansivos contribuíram efetivamente para a produção de materiais
autoreparadores e, que fissuras na faixa de 180 µm foram
eficientemente autorecuperadas, após 28 dias, quando uma
combinação de minerais foi empregada. Além disso, a
autoregeneração propiciou ligação das fissuras (recuperação de força)
e a selagem (aproximação física de fissuras através da cristalização) e,
consequente melhoria no desempenho da durabilidade.
Qureshi et al., (2019) deram continuidade aos estudos de
autoreparo objetivando otimizar a mistura de adições minerais
expansivas, adotando como referência a recuperação de carga,
eficiência de selagem de trincas e permeabilidade a gases. Os autores
consideraram que substituições superiores a 15% produzem quedas na
66
resistência e assim, mantiveram esse valor como limite. Nessa
pesquisa, que deu continuidade a primeira, os pesquisadores
mantiveram constante a relação água/cimento, em 0,35, e a
trabalhabilidade das pastas, para tanto empregaram aditivo
superplastificante. Para contextualizar a pesquisa e fazer a referida
discussão é importante apresentar a tabela EEE, com as adições e
proporções empregadas, para posteriormente apresentar as principais
conclusões. O quadro 3, apresenta as combinações empregadas pelos
referidos autores.
Quadro 3 - Adições minerais utilizadas em substituição ao cimento CP-I-42.5. Fonte
Qureshi et al., (2019)
Combinações das misturas (substituição em massa, em (%))
Mistura
PC
MgO
(92/200)
Bento
nita CaO a/cm
Super
plast
Flow-
table
% % % % % % mm
COM (PC 100) 100 0 0 0 35 0 199,5
PC87,5M7,5B2,5L2,5 87,5 7,5 2,5 2,5 35 1,05 206
PC85M7,5B5L2,5 85 7,5 5 2,5 35 2,08 203,5
PC85M7,5B2,5L5 85 7,5 2,5 5 35 1,09 201
PC87,5M5B5L2,5 (OPT-1) 87,5 5 5 2,5 35 2,08 205
PC87,5M5B2,5L5 (OPT-2) 87,5 5 2,5 5 35 1,09 204,5
Qureshi et al., (2019) concluíram que embora houvesse queda
na resistência à compressão decorrente da substituição das adições, o
67
desempenho das misturas com adições, em relação o autoreparo, era
muito superior à mistura de referência, COM, (PC 100). Os gráficos
apresentados na Figura 7 são provenientes do artigo supracitado.
Figura 7 - (a) Resistência à compressão de pastas com a/cm =0,35 e (b) eficiência do
autoreparo em (%). Fonte Qureshi et al., (2019)
Conforme Qureshi et al., (2019), o motivo das pastas
aditivadas com maior teor de bentonita apresentaram menor
resistência é que a bentonita absorve grande quantidade de água, o que
contribui bastante para hidratação e atua como material de
preenchimento, ao passo que MgO e CaO demandam menos água e
são mais compatíveis com o cimento durante o processo de
hidratação. Em relação a capacidade de regeneração das fissuras, os
pesquisadores constataram que as altas proporções de cal virgem
(CaO) apresentaram mais rápidas e mais elevadas tendências de
autoregeneração, e que isso ficou evidente na mistura
PC87.5M5B2.5L5, a qual demonstrou os melhores desempenhos
68
seguidos pelas outras misturas. Enquanto a eficiência de vedação foi
de cerca de 100% após 28 dias em todas as misturas minerais, foi
apenas cerca de 70% para as misturas PC100. Da mesma forma,
enquanto a capacidade de recuperação da resistência foi de até 67%
em misturas contendo minerais, essa mesma propriedade foi de apenas
15% nas misturas de PC100. A mistura ótima das adições minerais
pode ser associadas às proporções de 5–7,5% de MgO, de 2,5–5% de
bentonita e de 2,5–5% de cal virgem, com uma substituição de no
máximo de 15% do cimento.
Com base nesses resultados, não é difícil ficar otimista com o
potencial de autoregeneração dessas combinações de adições, contudo
deve-se, uma vez mais, relembrar que o estudo foi realizado com
pastas, com baixa relação água/materiais cimentantes igual a 0,35, por
essa razão, seria interessante analisar o compartamento dessas adições
em argamassas e concretos, empregando-se diferentes relações
água/materiais cimentíceos, empregando agregados com diferentes
dimensões máximas características e, verificando o desempenho da
autoregeneração em diferentes condições de exposição.
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72
CAPÍTULO 4
Mecanismos de autoreparo empregando-se bactérias
4.1 Atividade metabólicas realizadas pelas bactérias que resultam na
formação do Carbonato de Cálcio
A introdução da biotecnologia aplicada ao concreto levou ao
desenvolvimento de um novo conceito o "concreto microbiano" ou
“bio-concreto”. Para Seifan & Berenjian (2018), existem evidências
geológicas consideráveis de que as bactérias funcionam como agentes
de nucleação de cristais, pois possuem elevada relação superfície
volume (Ferris et al., 1996; Warren & Haack, 2001). Conforme Wang
et al., (2016), na última década os benefícios dos microrganismos para
materiais de construção, pedras e concreto vem sendo gradualmente
divulgados e sob extensa investigação. Os benefícios são
principalmente devidos à biomineralização induzida por
microorganismos, especificamente à precipitação de CaCO3 induzida
por bactérias. O efeito da precipitação bacteriana de CaCO3 nas
propriedades dos materiais de construção tem sido amplamente
discutida (De Belie, 2010; De Muynck et al., 2010; Kumar et al.,
2011; Siddique & Chahal, 2011; Achal & Mukherjee, 2015).
Lee & Park (2018) afirmam que várias espécies bacterianas já
foram relatadas como indutoras da precipitação de carbonato de
cálcio, por meio de atividades metabólicas, tais como a ureólise,
fotossíntese, amonificação, desnitrificação, redução de sulfato e
73
oxidação de metano. A atividade de biomineralização, na qual pode-se
empregar várias cepas bacterianas, tem se tornado um importante
tópico de pesquisa durante a última década, dado que oferece
benefício positivo, ao selar e vedar ou cicatrizar as fissuras do
concreto e aumentar a durabilidade.
De acordo com Wang et al., (2016), quase todos os tipos de
bactérias podem mediar a precipitação de CaCO3, se as adequadas
condições forem oferecidas (Boquet et al., 1973). Tanto as bactérias
autotróficas quanto heterotróficas estão envolvidas no processo de
precipitação. Existem vários tipos de mecanismos de precipitação do
bio-CaCO3, os quais dependem das diferentes vias metabólicas.
Wang et al., (2016), referindo-se os mecanismos fundamentais
para a precipitação do CaCO3, fazem um resumo, o qual é apresentado
no quadro 4.
Quadro 4 - Diferentes caminhos metabólicos, para a precipitação do carbonato de
cálcio, por meio das bactérias, fonte Wang et al., (2016).
Conforme Anbu et al., (2016) existem três diferentes
mecanismos envolvidos na produção de biominerais: (1)
mineralização biologicamente controlada, a atividade celular direciona
especificamente a formação de minerais (Lowenstam & Weiner, 1989;
Benzerara et al., 2011; Phillips et al., 2013). Nesse mecanismo os
74
organismos controlam a nucleação e o crescimento dos minerais. Os
minerais são diretamente sintetizados em uma localização específica
no interior ou sobre as células, mas sob certas condições; (2)
mineralização biologicamente influenciada é um processo através do
qual a precipitação passiva do mineral é causada pela presença de
matéria orgânica na superfície celular, como substâncias poliméricas
extracelulares associadas a biofilmes (Benzerara et al., 2011; Phillips
et al., 2013); (3) mineralização biologicamente induzida, que consiste
na modificação química do ambiente, devido atividade biológicas, que
resulta em uma supersaturação e na precipitação de minerais
(Lowenstam & Weiner, 1989; Stocks-Fischer et al., 1999; De Muynck
et al., 2010; Phillips et al., 2013).
Anbu et al., (2016) relata que previamente, a formação da
precipitação do carbonato de cálcio foi proposta para ocorrer através
de diferentes mecanismos como a fotossíntese, hidrólise da uréia,
sulfatoredução, oxidação de sulfeto anaeróbico e biofilme e
substâncias poliméricas extracelulares.
Conforme Wang et al., (2016), as bactérias podem alterar as
condições químicas do meio ambiente, devido às suas atividades
metabólicas, assim elas podem criar condições de supersaturação que
propiciam a precipitação de uma fase mineral específica. Células
bacterianas podem servir como locais de nucleação para a
precipitação. Os micro-organismos podem afetar a micro-
bioprecipitação, pois possuem capacidade de criar um ambiente
alcalino, através de várias atividades e condições fisiológicas, as quais
75
têm sido atribuídas como o papel principal na biossíntese de carbonato
de cálcio (De Muynck et al., 2010). Por exemplo, a taxa de reação da
hidrólise da uréia, após ser catalisada pela urease bacteriana, é
aproximadamente 1014 vezes superior do que a taxa não catalisada
(Benini et al., 1996).
Deve-se considerar que a maior produção de carbonato de
cálcio contribui para preencher mais espaços das fissuras e dos poros e
esse fenômeno aumenta a eficiência do concreto bio-auto-
regenerativo, dessa forma deve-se encontrar o mecanismo de
precipitação mais eficaz possível.
Conforme Anbu et al., (2016), a precipitação de carbonato de
cálcio induzida por microorganismos (MICP), refere-se à formação de
carbonato de cálcio a partir de uma solução supersaturada, devido à
presença de suas células microbianas e atividades bioquímicas (Bosak,
2011). Durante o MICP, os organismos são capazes de secretar um ou
mais produtos metabólicos (CO32−) que reagem com íons (Ca2+) no
ambiente, resultando na precipitação subseqüente de minerais.
A precipitação de carbonato de cálcio por bactérias via
hidrólise da uréia é o método mais utilizado (Hammes & Verstraete,
2002; DeJong et al., 2010; De Muynck et al., 2010).
Conforme Anbu et al., (2016), durante o processo de
precipitação via hidrólise da uréia, um mol de uréia é hidrolisado em
um mol de amônia e um mol de ácido carbônico, conforme Equação
(1), o qual é espontaneamente hidrolisado em outro mol de amônia e
76
ácido carbônico, de acordo com a Equação (2) (Stocks-Fischer et al.,
1999; Burne & Chen, 2000; Hammes et al., 2003).
Esses dois produtos NH3 e H2CO3 são equilibrados em água
para formar bicarbonato, conforme Equação (3) e formar dois mols de
Amônio e dois moles de íons de hidroxílas, conforme Equação (4).
Os íons de hidroxílas produzem aumento no pH, o qual
produz mudança de equilíbrio do bicarbonato, resultando na formação
de íons de carbonato (Fujita et al., 2008), conforme Equação (5).
Essa mudança pode então precipitar os íons metálicos. A
geração de íons de amônio aumenta o pH local e a reação continua
espontaneamente para formar carbonato de cálcio (Ferris et al., 1996;
Mitchell & Ferris, 2005). A precipitação do carbonato de cálcio ocorre
Equação (1)
Equação (2)
Equação (3)
Equação (4)
Equação (5)
77
sobre a superfície das células das bactérias, se houver suficiente
concentração de íons de Ca02+ e de CO32- na solução, conforme,
equações (6) e (7) e figura 8, proveniente do artigo de De Muynck et
al., (2010).
Para Seifan & Berenjian (2018), o primeiro passo para a
formação de cristais é a interação estequiométrica entre íons metálicos
com grupos químicos reativos, gerados por microorganismos e, que
reside principalmente no peptidoglicano. É conhecido que as paredes
celulares bacterianas têm uma carga negativa líquida e a magnitude
desta carga varia de cepa para cepa. A disponibilidade de grupos
funcionais no envelope celular, como grupos carboxila ou fosfato em
ácidos teicóicos, é a principal razão para conceder uma carga negativa
em cepas Gram-positivas (Scott & Barnett, 2006). No entanto, a carga
negativa em bactérias Gram-negativas é principalmente devido à
presença de fosfolipídios e lipopolissacarídeos na membrana celular
(Seifan et al., 2018). Isso cria uma forte afinidade eletrostática para
atrair cátions e a subsequente cristalização, devido a ligação de cátions
divalentes, com a parede celular carregada negativamente. Seguido à
nucleação, ocorre o crescimento e o mineral é depositado na superfície
Equação (6)
Equação (7)
78
do cristal. A precipitação do carbonato de cálcio ocorre sobre a
superfície das células das bactérias, conforme figura 8.
Figura 8 - Representação simplificada dos eventos ocorridos durante a precipitação de
carbonato induzida por hidrólise ureolítica. Os íons de cálcio na solução são atraídos
para a parede celular bacteriana devido à carga negativa da bactéria. Após a adição de
ureia às bactérias, o carbono inorgânico dissolvido (DIC) e o amônio (AMM) são
liberados no microambiente da bactéria (A). Na presença de íons cálcio, isso pode
resultar em supersaturação local e, portanto, em precipitação heterogênea de
carbonato de cálcio na parede celular bacteriana (B). Depois de um tempo, a célula
inteira fica encapsulada (C), limitando a transferência de nutrientes, resultando em
morte celular. A imagem (D) mostra as impressões de células bacterianas envolvidas
na precipitação de carbonato. Imagem proveniente do artigo de De Muynck et al.,
(2010).
A Figura 9, retirada do artigo de Seifan e Berenjian (2018),
mostra a interação entre os íons metálicos e a parede celular, tanto das
bactérias Gran-positivas, quanto com as bactérias Gran-negativas.
Figura 9 - Interação entre íons metálicos e as paredes celulares das bactérias a) Gran-
positivas, b) Gran-negativas. Imagem proveniente do artigo de Seifan & Berenjian
(2018).
79
De acordo com Anbu et al., (2016), o processo de precipitação
do carbonato de cálcio (CaCO3) é um mecanismo simples e,
facilmente controlável do MICP, que pode produzir altas
concentrações de CaCO3 em curto período de tempo (Dhami et al.,
2013a). A urease influencia o processo químico associado com a
formação de biominerais, através de quatro parâmetros diferentes
(Hammes & Verstraete, 2002), tais como: pH; concentração de
carbono inorgânico dissolvido (DIC); concentrações de cálcio; e a
disponibilidade de locais de nucleação. Os três primeiros parâmetros
influenciam a concentração de íons de carbonato (CO32−) (isto é,
estado de saturação), enquanto o último parâmetro (isto é,
disponibilidade de locais de nucleação) é muito importante para a
formação estável e contínua de carbonato de cálcio (Phillips et al.,
2013). No processo de biomineralização, as bactérias servem como
locais de nucleação, através dos quais o carbonato de cálcio precipita.
Todos esses parâmetros afetam grandemente a atividade ureolítica ou
a formação de cristais de CaCO3.
A hidrólise da ureia é um processo extremamente lento
(3×10−10. s−1). Contudo, na presença da enzima urease a hidrólise da
uréia pode aumentar substancialmente (3×104. s−1). Além disso,
atividade ureolítica e a capacidade de formação de CaCO3 das
bactérias é afetado significativamente pela concentração de ureia
disponibilizada no sistema (Xu et al., 2018).
Anbu et al., (2016), relatam que muitas bactérias produtores
de urease tem sido investigadas, incluindo Aerobacter aerogenes, B.
80
megaterium, B. subtilis, Bacillus sp. CR2, B. thuringiensis, D.
halophila, Halmonas eurihalina, Helicobacter pylori, Kocuria flava
CR1, L. sphaericus CH5, Methylocystis parvum, Myxococcus
xanthus, Proteus mirabilis, Pseudomonas denitrificans,
Spoloactobacillus sp., Sporosarcina ginsengisoli and Sporosarcina
pasteurii (Perez–Perez et al., 1994; Rivadeneyra et al., 1996, 1998;
Stocks-Fischer et al., 1999; Ben Chekroun et al., 2004; Karatas et al.,
2008; Chen et al., 2009; Achal et al., 2011, 2012; Dhami et al., 2013b,
2014; Gorospe et al., 2013; Achal & Pan, 2014; Ganendra et al., 2014;
Kang et al., 2014).
Para Amiri et al., (2018) os esporos mais comumente usados,
que podem induzir a precipitação do carbonato de cálcio, são os
seguintes: Shewanella; Bacillus megaterium; Bacillus cohnii;
Sporosarcina pasteurii (formalmente conhecidas como Bacillus
pasteurii); Bacillus subtilis; Escherichia coli; Lysinbacillus sphaericus
(Bacillus sphaericus) e Bacillus halodurans.
Seifan & Berenjian (2018), com base em revisão bibliográfica
afirma que o B. sphaericus é a bactéria mais utilizado nos processos
de MICP, onde um meio enriquecido com uréia tem sido usado. Em
adição outros tipos dessa espécie tais como B. megaterium (Achal et
al., 2011) e B. lentus (Wei et al., 2015) tem sido reportados como
potentes bactérias para o processo de MICP.
Bactérias ureolíticas positivas são principalmente aeróbicas,
portanto o crescimento bacteriano e a biossíntese de carbonato de
cálcio são inibidos sob condições limitantes de oxigênio. Entretanto,
81
as bactérias desnitrificadoras podem iniciar, anaerobicamente, o
processo de MICP usando nitrato, como um receptor de elétrons, para
a oxidação da matéria orgânica e indução do carbonato. Em
comparação com as bactérias ureolíticas, as cepas desnitrificadoras
têm menor capacidade de induzir a precipitação de carbonato de
cálcio, o que pode afetar a funcionalidade dos processos MICP (Seifan
& Berenjian, 2018).
Conforme Anbu et al., (2016), as concentrações elevadas de
células bacterianas (de 10^6 a 10^8 células) aumentam a quantidade de
precipitação de Calcita pelo MICP, através de aumentos na
concentração de urease para a hidrólise da ureia (Okwadha & Li,
2010). Portanto, a hidrólise da uréia tem uma relação direta com as
concentrações de células bacterianas (Ng et al., 2012).
Anbu et al., (2016), citando (Ferrer et al., 1988; Hammes &
Verstraete, 2002; Dhami et al., 2013b), relata que a composição do
meio de cultura ou cultura pode também afetar a morfologia do
cristal, porque diferentes espécies bacterianas são capazes de
precipitar diferentes quantidades, formas e tipos de cristais de
carbonato a partir do mesmo meio químico.
O carbonato de cálcio tem vários tipos de polimorfos, com
diferentes propriedades físicas e mecânicas, que impactam
significativamente na qualidade dos precipitados. O aspecto
morfológico é uma das características mais relevantes, pois ele pode
afetar a eficácia do MICP.
82
A depender das fontes de cálcio, pode-se ter diferentes formas
de carbonato de cálcio.
Para Seifan et al., (2018), deve-se considerar que a eficácia do
processo de precipitação do carbonato de cálcio, induzida
microbiologicamente, (MICP), depende muito da quantidade e
qualidade de minerais induzidos.
Embora muitos pesquisadores tenham empregado diferentes
fontes para a indução do carbonato de cálcio, o cloreto de cálcio é a
melhor fonte para induzir a precipitação (Achal & Pan, 2014). A
Figura 10, apresenta a relação entre as fontes de cálcio e as diferentes
formas de carbonato de cálcio.
Figura 10 - Formas dos cristais em função das fontes de cálcio: (a) Cloreto de cálcio,
induz a formação de Calcita; (b) Acetato de cálcio, induz a formação de Vaterite; (c)
Lactato de cálcio, induz a formação de uma forma complexa de Vaterite); (d)
Glucanato de cálcio, induz a formação de forma complexa de Vaterite (Anbu et al.,
(2016). Imagens de Gorospe et al., (2013).
83
Seifan & Berenjian (2018), cita que Martin et al., (2012),
comprovaram que a atividade de Sporosarcina pasteurii (NCIMB
8841) foi inibida sob condição anóxica (anoxia é a "ausência" de
oxigênio) e, que espécies de Bacillus apresentaram maior atividade
sob diferentes condições ambientais (Seifan et al., 2017).
Para Ducasse-Lapeyrusse et al., (2017) as cepas bacterianas
produtoras de carbonato de cálcio são bactérias alcalinofílicas e,
portanto, sobrevivem em pH de neutros até um pH de 11; elas crescem
em meio específico e modificam seu ambiente, alterando o pH, o que
produz novos produtos químicos e que promovem a nucleação de
cristais de Calcita. Quando as fissuras surgem no concreto, os esporos
de bactérias são ativados pela presença da água e do oxigênio, que
penetram por meio das rachaduras e, assim ao se alimentarem do
substrato, (por exemplo, lactato de cálcio), decompondo-o, nas
superfícies rachadas, elas produzem CaCO3 (bio-mediado), o qual
preenche as fissuras (Choi et al., 2017). Essa abordagem envolve a
presença de precursor, que é um composto químico que fornece
reagentes para a formação de carbonato de cálcio, especificamente, o
íon cálcio (Ca2+) e o íon carbonato (CO32-), por meio de sais de cálcio,
como o lactato de cálcio ([CH3CH(OH)COO] 2Ca). Entretanto, as
cepas bacterianas suportam pH de até 11, consequentemente, não
podem se desenvolver em pH de 13, que é o valor aproximado do pH
do concreto, conforme relatado por Ducasse-Lapeyrusse et al., (2017).
Em decorrência disso, o processo de precipitação do carbonato de
cálcio, induzido microbiologicamente (MICP), só pode ocorrer após
84
uma diminuição do pH. Sabe-se que quando concreto de cobrimento é
exposto ao ar, por várias semanas e, em adequadas condições de
umidade, ele acaba ficando carbonatado.
A carbonatação pode reduzir o pH na superfície da fissura
para valores em torno de 9 e, assim o processo pode ocorrer, caso
exista umidade suficiente. Por outro lado, quando concreto ao redor
das barras de aço possuir pH em torno de 9 ele pode, potencialmente,
despassivar as armaduras, as quais na presença de oxigênio e umidade,
dão início ao processo de corrosão por carbonatação. Ou seja, as
condições almejadas para que o processo de precipitação do carbonato
de cálcio, induzido microbiologicamente, ocorra são as mesmas
almejadas para que o processo corrosivo dê início.
De acordo com Xu et al., (2018), em termos de eficácia do
sistema de autoreparo, o processo que utiliza o caminho ureolítico
apresenta-se como o mais eficaz, devido a elevada taxa de
precipitação de CaCO3. Na via metabólica da ureólise, conforme
Seifan et al., (2018), as bactérias de urease positiva são necessárias
para gerar a enzima urease, para catalisar a hidrólise da ureia. A
enzima urease dos microorganismos, como o Bacillus, inicia a
precipitação do carbonato de cálcio convertendo a ureia em amônia e
CO2 (o CO2 combina-se com a Portlandita para formar Calcita, e a
amônia converte-se em amônio). Quando as bactérias hidrolizam a
uréia e, tem-se como resultado o fornecimento de íons de carbonato,
os quais ao se combinarem com a Portlandita formam o carbonato de
cálcio. Contudo, concomitantemente, tem-se diminuição do pH,
85
devido a produção de íons de amônio, os quais podem ser prejudiciais
ao concreto (Jauberthie & Rendell, 2003). Por outro lado, conforme
Souradeep et al., (2017), durante esse processo o oxigênio é
consumido, reduzindo a probabilidade da corrosão das armaduras.
Para Choi et al., (2017) muitas das bactérias ureolíticas
dificilmente sobrevivem em ambientes altamente alcalinos e/ou aos
processos severos, que ocorrem durante a mistura e a consolidação de
concreto. Xu et al., (2018) salientam, ainda, os efeitos posteriores a
pega e endurecimento, evidenciando a contínua redução de espaços
destinados às bactérias devido à retração do concreto, com a
consequente redução das condições de sobrevivência. Além disso,
conforme Wang et al., (2012) a atividade bacteriana decresce
drasticamente em ambiente com pH superior a 12, como é o caso do
pH, nos poros do concreto. Como os esporos são mais resistentes a
condições adversas do que as células vegetativas, a injeção de esporos
ou esporos encapsulados é recomendada para maximizar a
sobrevivência bacteriana (Lee & Park, 2018).
Faz-se necessário compreender que uma vez que as bactérias
são introduzidas nos materiais cimentíceos (pasta, argamassa ou
concreto), elas devem suportar elevada alcalinidade, altas
temperaturas e longo período de inatividade no interior do concreto,
antes que as fissuras surjam. Portanto, conforme Lee & Park (2018),
para que os processos, realizados pelos microrganismos no interior do
concreto, sejam bem-sucedidos duas condições devem ser atendidas:
a) sobrevivência das bactérias, capazes de precipitar carbonato de
86
cálcio dentro da matriz de concreto e b) suficiente desempenho no
autoreparo, quando do surgimento das fissuras. Desafortunadamente,
existem fatores limitantes relacionados ao ambiente interno concreto,
os quais incluem: pH alcalino, tão alto quanto 13; baixa
disponibilidade de oxigênio; e altas pressões e temperaturas,
vinculadas ao processo de produção e hidratação de concreto. Assim,
a cepa bacteriana deve ser alcalinizante e capaz de formar esporos
para poder sobreviver à essas condições extremas.
Para contornar as condições adversas foram desenvolvidos
condutores ou portadores, os quais são frequentemente usados para
imobilizar as bactérias e protegê-las da exposição direta dessas
condições extremas.
Wang et al., (2014) analisaram a capacidade de autoreparo de
argamassas com microcápsulas, contendo esporos, e concluíram que,
ao utilizarem as bactérias, o desempenho das argamassas com as
microcápsulas foi de, aproximadamente, 4 vezes superior à argamassa
de referência. Enquanto a argamassa contendo bactéria foi capaz de
cicatrizar uma fissura com 970 µm, a de referência cicatrizou no
máximo 250 µm. Faz-se necessário salientar que esses resultados
foram obtidos somente quando a argamassa foi submetida a ciclos de
secagem e umedecimento, não tendo ocorrido nenhum processo de
autoreparo quando as argamassas ficaram armazenadas em ambiente
com umidade relativa igual 95%. Portanto, é imprescindível acautelar-
se em relação a aplicação desse procedimento, principalmente quando
não houver garantia da condição ideal para o processo de autoreparo,
87
pois nem mesmo em ambiente com umidade relativa igual a 95% o
mecanismo de autoreparo com bactérias foi capaz de ser eficaz, dado
que esse procedimento ´não é de baixo custo, recursos valiosos podem
estar sendo aplicados sem nenhum retorno.
Como forma de auxiliar o entendimento, de como é processo
de biomineralização do carbonato de cálcio, por meio de bactérias e
nutrientes encapsulados, utilizou-se da figura 11, do artigo de Seifan
& Berenjian, (2018), na qual é possível compreender a sequência: a) o
surgimento das fissuras no material cimentíceo; b) a ruptura das
cápsulas ou dos portadores com bactérias e nutrientes, c) o acesso ao
oxigênio e CO2 e, idealmente, a água; e d) o preenchimento das
fissuras, com carbonato de cálcio. Na Figura 11, tem-se representação
esquemática do funcionamento do autoreparo das fissuras, por meio
da biomineralização, empregando-se bactérias e nutrientes
encapsulados.
Figura 11 - Representação esquemática do mecanismo de funcionamento do
autoreparo com bactérias e nutrientes encapsulados, fonte Seifan & Berenjian,
(2018).
88
Como forma de proteger as bactérias do meio agressivo,
Wang et al., (2012) analisaram a viabilidade de empregar sílica gel e
poliuretano como condutores, como forma de proteger as bactérias.
Alazhari et al., (2018) utilizaram os poros da argila expandida como
condutor e obtiveram resultados satisfatórios ao substituir em 20% os
agregados miúdos por argila expandida, a qual continha esporos e
nutrientes, separadamente.
Wang et al., (2012) analisaram o desempenho de partículas de
terra diatomácea, em substituição ao agregado miúdo, como meio de
encapsulamento de bactérias e nutrientes, em argamassa de cimento
com traço 1:3:0,5. Após análise dos resultados, concluíram que a terra
diatomácea é eficaz na proteção das bactérias em ambientes com alto
pH, como é o da pasta de cimento. O possível mecanismo é que as
partículas têm forte capacidade de sorver as células das bactérias,
devido elevada superfície específica. Após a sorção a terra diatomácea
propicia um tipo de microclima ao redor da bactéria, no qual o pH é
menos agressivo que na matriz cimentícia e assim a bactéria pode
continuar a decompor a uréia. Na proporção em que se aumentou a
quantidade de terra diatomácea na mistura aumentou a taxa de
decomposição de uréia, o que indicou maior atividade ureolítica.
Conforme Seifan & Berenjian (2018), apesar do recente
progresso na concepção da bio-auto-regeneração do concreto, a
eficácia desta nova tecnologia depende muito da disponibilidade de
oxigênio. Aeração desempenha papel importantíssimo no crescimento
e iniciação de MICP, quando micróbios aeróbicos ou facultativos são
89
usados. Isso implica que a eficácia do MICP depende estritamente da
presença de ar. Neste caso, o sucesso do mecanismo de autoreparo,
para cicatrizar as fissuras internas, torna-se menos provável. Como
mostrado na Figura 12, a disponibilidade de ar diminui dentro das
fissuras do concreto e, conseqüentemente, a probabilidade de
precipitação de carbonato de cálcio também diminui.
Figura 12 - a) A visão geral da fissura de concreto mostrando a disponibilidade de
oxigênio em várias profundidades de fissura, e b) quantificação da precipitação em
função da profundidade das amostras, ou seja, (___)Ref ; (.....) incorporados com
hidrogéis puros (m – H); e (_ _ _ _) incorporados com esporos de B. sphaericus
imobilizados em hidrogel (m-HS). Imagens obtidas de (Wang et al. 2014a)
No processo de decomposição da uréia tem-se de um lado a
redução do oxigênio, o que é muito saudável, pois a inexistência ou a
presença do oxigênio em quantidades mínimas diminui a
probabilidade da corrosão. Por outro lado, tem-se como subproduto o
amônio, (NH4), o qual pode acelerar o processo corrosivo por nitratos.
Em relação aos nitratos, Pepenar (2013) fez pesquisa relacionada à
corrosão induzida por nitratos, em estruturas de concreto armado.
Constatou, em investigação laboratorial realizada em grande número
90
de amostras de concreto e aço, extraídas dos elementos afetados pela
corrosão, evidências de um complexo processo de corrosão, o qual era
afetado por diferentes mecanismos. A degradação do concreto
consistia em alguns fenômenos de descalcificação e expansão, que
levavam ao craqueamento e, finalmente, a uma rápida destruição do
concreto. A corrosão sob tensão representa, ainda, outro tipo
específico de corrosão do aço em ambientes tão agressivo, quanto
esse. Este fenômeno, similar àqueles observados em alguns cabos de
aço protendidos, que se caracteriza pela fratura frágil e quebradiça do
aço, sem perda de seção transversal de aço e sem perda visível de
metal e sem a existência de indicações premonitórias, precisa ser
investigado com a devida profundidade.
Conforme Lee & Park (2018) a avaliação da eficácia da
capacidade de consolidação de um agente de cura sob várias
condições ambientais, em campo, é essencial para o desenvolvimento
bem sucedido do concreto bacteriano autorreparador. Ainda assim,
certas limitações devem ser superadas antes que essas tecnologias
sejam usadas comercialmente. Sugere-se a realização de pesquisas em
que se empregue concreto armado e se verifique a interação entre os
subprodutos da microbiomineralização, decorrentes do processo
ureolítico, e as armaduras. Sugere-se ainda que os ensaios sejam
realizados sobre carregamento, onde a fissura permanece
constantemente aberta ou que seja reaberta em diferentes períodos
para que se possa verificar o desempenho da autoregeneração. Em
relação às condições de exposição, que se considerem ciclos de
91
umedecimento e secagem, empregando soluções e condições similares
ao ambiente marinho. Procedendo-se desta forma será possível
aproximação mais efetiva da realidade, onde as estruturas estão em
permanente carregamento, as fissuras em movimento e o processo
corrosivo está quase sempre presente.
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99
CAPÍTULO 5
Mecanismos de autoreparo empregando-se polímeros
5.1 Mecanismos de autoreparo com polímeros superabsorventes
Conforme Snoeck et al., (2012), os polímeros
superabsorventes são partículas que incham devido à diferença de
pressão osmótica entre o hidrogel e a solução externa. Essa
propriedade tem sido uma das principais razões para o emprego na
indústria de higiene e, também são de grande importância na indústria
na construção civil. Snoeck et al., (2015) afirmam que os polímeros
super absorventes constituem-se de redes poliméricas, que têm a
capacidade de absorver e reter uma grande quantidade de líquido sem
se dissolver, expandindo-se em grandes proporções devido à osmose.
Mignon et al., (2017), consideram que os polímeros
superabsorventes são constituidos, geralmente, de monômeros iônicos
e precisam de baixo grau de reticulação, para propiciar elevada
capacidade de absorção.
Para Lee et al., (2016), os polímeros superabsorventes,
também conhecidos como hidrogéis, são polímeros reticulados que
têm a capacidade de absorver uma quantidade desproporcionalmente
grande de líquido, expandindo-se para formar um gel insolúvel. A taxa
e a capacidade de expansão podem ser alteradas, dependendo do tipo
de polímero e propriedades do líquido, incluindo composição,
100
temperatura e pressão, sendo essa uma das características únicas dos
polímeros superabsorventes. Por exemplo, a taxa de expansão de um
polímero superabsorvente (PSA) em água deionizada pode ser
superior a 500 g/g, mas pode cair para cerca de 10 a 20 g/g na solução
típica de poros de concreto (Lee et al., 2016). Quando o concreto é
misturado e a água da mistura entra em contato com o cimento, ela em
poucos minutos atinge um pH muito alto (~ 12,5-13) e a concentração
iônica (~ 150-700 mmol / L), devido à rápida dissolução dos
compostos de cimento, os quais liberam íons, incluindo Ca2+ K+, Na+,
OH- e SO42- (Gartner et al., 1985). Portanto, o polímero
superabsorvente (PSA), que é adicionado durante a mistura, irá se
expandir em velocidade muito mais reduzida, se comparada à adição
em água doce. Os íons cálcio na água de mistura formam um
complexo bidentado, com os acrilatos do PSA (Sahmaran, 2007), o
que limita ainda mais sua expansão (Huber, 1993; Schweins & Huber,
2001). A expansão inicial também fica restringida devido aos
processos de mistura e compactação.
Para Mignon et al., (2017), os polímeros superabsorventes
podem ser classificados de várias maneiras, sendo que a classificação
mais importante é pela composição. Pela composição dividem-se entre
sintéticos, semi-sintéticos e naturais, conforme Mohammad &
Zohuriaan-Mehr, (2008).
Os monômeros usados para SAPs sintéticos são baseados na
indústria petroquímica e podem incluir ácido acrílico (AA), ácido
metacrílico (MAA), acrilamida (AM), metacrilato de
101
dimetilaminoetilo (DMAEMA), dimetil amino propilo metacrilamida
(DMAPMA), ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico (AMPS),
etc (Mignon et al., 2017). Explicações mais detalhadas sobres essas
classificações, podem ser encontradas em Mignon et al., (2017).
Os polímeros superabsorventes, empregados na construção
civil, quando adicionados ao concreto, propiciam várias possibilidades
relacionadas ao controle da água na mistura. Atuando sobre os
processos de absorção e/ou liberação de água e, consequentemente,
afetando as propriedades reológicas no estado fresco e, modificando
as condições de umidade interna do concreto. O controle da absorção
e liberação de água pode ser promovido por meio de projeto,
utilizando-se polímeros superabsorventes, os quais podem se adaptar à
necessidades específicas. Os polímeros superabsorventes podem ser
empregados tanto em concreto de altodesempenho, quanto em
concreto projeto, apenas para citar-se alguns exemplos (RILEM,
2012). Para Snoeck et al., (2012), eles têm sido empregados em
concretos, para reduzir a retração autógeno e por promover a cura
interna. Sendo que para Lee et al., (2016), o gel inchado forma uma
barreira ao fluxo e libera gradualmente a água absorvida quando a
umidade circundante diminui.
Para Snoeck et al., (2015), o uso de PSA para promover a cura
autógeno é dual. Snoeck et al., (2015) citando, Yao et al., (2012),
afirma que as partículas de SAP incham devido à absorção de água
durante o processo de mistura e encolhem-se para trás durante o
endurecimento do concreto, produzindo macroporos, os quais criam
102
caminhos preferenciais para o surgimento de falhas e de múltiplas
fissuras. Em segundo lugar, as partículas de (PSA) são muito úteis
para a cura autógeno, porque absorvem água durante períodos úmidos
e a liberam lentamente durante os períodos secos. Por meio desse
mecanismo, a água permanece continuamente disponível para o
processo de cicatrização autógeno e o compósito pode mostrar uma
recuperação completa nas propriedades mecânicas, com cicatrização
de rachaduras de até 130 μm (Kim & Schlangen, 2010; Snoeck et al.,
2012b) sob ciclos úmidos e secos.
Huang et al., (2016), pesquisadores da Universidade de
Tecnologia de Delft e Universidade Gent, exploraram a viabilidade do
fechamento de fissuras no concreto, por meio da adição de polímeros
superabsorventes (PSA). Eles demonstraram que quando as fissuras
surgem e, as partículas de PSA ficam expostas a um ambiente úmido,
elas se expandem e tamponam as fissuras. A permeabilidade à água
diminui com o tempo e as rachaduras são seladas. A combinação de
microfibras e polímeros superabsorventes levam ao autoreparo das
fissuras. Os resultados experimentais mostraram que os (PSA)
promoveram a precipitação dos minerais nas fissuras. Portanto,
quando as partículas de (PSA) se expandem, por terem absorvido
grande quantidade de água, elas facilitam ao autoreparo autógeno em
toda a área da superfície das fissuras. Além disso, os polímeros
superabsorventes propiciam a continuidade da hidratação, por meio do
fornecimento da água absorvida e, paralelamente, fornecem a água
para a precipitação do Carbonato de Cálcio, CaCO3.
103
Conforme Lee et al., (2010), na medida em que o cimento se
hidrata e o concreto se autodesseca, o PSA libera gradualmente a água
absorvida e, ao se retrair, produz vazios de dezenas a centenas de
mícrons, na pasta de cimento, conforme figura13(a). Quando as
fissuras surgem, elas se propaguem através dos vazios, produzidos
pela retração dos polímeros, figura 13(b). O (PSA) permanece em
dormência na microestrutura até que, devido ao surgimento das
fissuras, ele é exposto ao meio externo, de modo que quando
submetido ao umedecimento, o mesmo volta a ser ativado e expande-
se. Fluidos externos, provenientes da precipitação e de águas
subterrâneas têm menor concentração iônica, em relação à solução de
poros de concreto, portanto a reexpansão do (PSA) aumenta
significativamente. Contudo, o reduzido confinamento físico também
limita a capacidade de re-inchamento do (PSA). O polímero
superabsorvente inchado forma um gel mole, que se expande na fenda
e para além, diminuindo ou impedindo o fluxo adicional, conforme
figura 13(c). O (PSA) expandido produz bloqueio físico, reduz a
largura e a taxa de fluxo, o que propicia a cicatrização autógeno no
interior das fissuras, (Clear, 1985; Hearn, 1998; Edvardsen, 1999;
Yang et al., 2009). Se o concreto for exposto à ciclos de molhagem e
secagem, então a liberação retardada de água pelo (PSA), durante os
períodos de secagem, também pode ajudar ao autoreparo. Esses
efeitos ajudariam a manter a impermeabilidade das estruturas
fissuradas. A figura 13 foi obtida a partir do artigo de Lee et al.,
(2010).
104
a) O SAP é adicionado ao
concreto durante a mistura. O inchamento iInicial é
confinado. Na medida em o
concreto endurece, o polímero retrai fica dormente
na microestrutura.
b) Subsequente propagação
das fissuras através dos vazios do polímero
superabsorvente, expondo o
polímero.
c) O ingresso de água causa
o inchamento do polímero, expandindo-o no interior da
fissura e restringindo o
fluxo de água.
Figura 13 - Representação esquemática do mecanismo de funcionamento dos
polímeros superabsorventes em uma matriz cimentícia. Imagem obtida a partir do
artigo de Lee et al., (2010).
Em ambientes onde a condição de cura ocorre com umidade
relativa maior que 90%, os polímeros superabsorventes são capazes de
propiciar autoreparo equivalente a ciclos de umedecimento e secagem.
Em regiões com ciclos de umedecimento e secagem, a água
permanece presente nos polímeros superabsorventes durante os
períodos secos. Portanto, o autoreparo pode prevalecer em todos os
momentos (Snoeck et al., 2012). Em decorrência dos mecanismos de
funcionamento dos polímeros superabsorventes, eles podem ser úteis
em regiões com pouca precipitação ou para estruturas que não ficam
diretamente expostas à chuva, porque eles têm elevada capacidade de
absorção de água, que atua mesmo em regiões com pouca umidade,
105
consequentemente são potencialmente capazes de fornecer cura à
matriz cimentícia.
Os polímeros superabsorventes são produzidos por diferentes
fornecedores e apresentam desempenhos bastante diferentes, portanto
recomenda-se estudo prévio e cautela, quanto ao emprego dos
mesmos.
5.2 Mecanismos de autoreparo empregando agentes adesivos
Conforme Blaiszik et al., (2010) e Bekas et al., (2016) os
mecanismos de autoreparo baseados em polímeros e seus compostos
podem ser dividir em três, quais sejam: a) self-healing intrinsicos; b)
self-healing baseados em cápsulas e, d) self-healing baseados em
vascularização.
5.2.1 Sistemas autorreparadores intrínsecos
Conforme Wang et al., (2015), os materiais autoreparativos
intrínsecos não possuem um agente cicatrizante confinado, mas
possuem uma funcionalidade de autoreparo latente que é ativada com
o surgimento do dano ou por um estímulo externo. Estes materiais
contam com a mobilidade de uma cadeia e o emaranhamento das
mesmas, polimerizações reversíveis, fusão de fases termoplásticas,
ligações de hidrogênio, ou interações iônicas para iniciar o autoreparo.
Como cada uma dessas reações é reversível, vários eventos de cura
são possíveis.
106
5.2.2 Sistemas baseados em cápsulas
Durante o dano e, consequente surgimento das fissuras, as
cápsulas são rompidas, dessa forma o mecanismo de autoreparo é
acionado, ocorre a liberação e a reação do agente de cura, na região da
fissura ou rachadura. Em geral, o uso das cápsulas nos sistemas de
autoreparo tem a vantagem de o reparo da fissura ser iniciada quase
que imediatamente. Contudo, esse método tem limitação, porque as
cápsulas são randomicamente dispersas na matriz e apenas uma
pequena parte delas pode ser atingida e romper devido às tensões que
dão origem às fissuras. Consequentemente, apenas uma pequena
quantidade de agente pode ser liberado. Existe a possibilidade de a
fissura atingir diferentes números de cápsulas, essa probabilidade
depende da dosagem e tamanho das cápsulas, de tal forma que a
probabilidade de um determinado número de cápsulas serem atingidas
aumenta com a dosagem de cápsulas.
Dry (2000) fez uso de cápsulas de vidro cilíndricas
preenchidas com cianoacrilato para curar rachaduras no concreto. Um
sistema epóxi de duas partes também foi usado no autoreparo de
compósitos cimentíceo (Xing et al., 2008), conforme Wang et al.,
(2015).
De acordo com Blaiszik et al., (2010), existe uma variedade
de técnicas de encapsulamento. As técnicas de encapsulamento mais
comuns são a dispersão in situ, interfacial e fundível.
107
Os materiais autoreparadoras que empregam cápsulas foram
desenvolvidos para alguns dos polímeros sintéticos e elastômeros mais
comumente usados, utilizando-se uma variedade de esquemas de
confinamento. Cada esquema confina, em cápsulas discretas, um
agente de cura, até que o dano, ao romper as cápsulas, libere o agente
de cura e se produza a cura da fissura.
Conforme Huang et al., (2016), o endurecimento dos agentes
adesivos nas fissuras tem o potencial de selar as fissuras e conectar
ambas superfícies. Esses adesivos podem ser tanto monocomponentes
ou possuir dois ou mais componentes. O processo de endurecimento
varia com as propriedades dos agentes. Dentre os agentes adesivos
está o epóxi, frequentemente usado para autoreparo. Em algumas
pesquisas, dois componentes de epóxi foram liberados e misturados
entre si. Esses dois componentes reagiram e endureceram para
cicatrizar as fissuras. Contudo, essa reação tem algumas limitações,
pois pode ser influenciada pela taxa de penetração dos dois
componentes na fissura, em função disso, é possível que a mistura não
consiga ser otimizada.
Um monocomponente de epóxi tem se mostrado eficiente para
autoreparo. Por exemplo, Thao et al., (2009) utilizaram tubos de vidro
selados contendo monocomponentes de epóxi. Durante a realização
dos ensaios, os tubos que estavam no interior das amostras romperam-
se e, o epóxi penetrou na fissura e se polimerizou ao entrar em contato
com o ar, melhorando o desempenho do material cimentíceo. O
108
metilmetacrilado (MMA) é outro tipo de adesivo que pode ser
utilizado para autoreparo, com um ou mais componentes.
Yang et al., (2009) utilizaram microcápsulas dentro das quais
havia metilmetacrilato e trietilborane (TEB), para selar as fissuras.
O cianocrilato tem sido empregado como agente adesivo para
autoreparo, possui baixa viscosidade e é apto a penetrar nas fissuras da
matriz, em decorrência disso, tem sido frequentemente usado no
autoreparo de concretos, uma vez que pode reconectar a superfície das
fissuras fortemente. Sendo um monocomponente ele pode endurecer
dentro de um pequeno intervalo de tempo, após ser exposto ao ar.
Em geral, a eficácia do agente de cura, baseado em agentes
adesivos, depende principalmente do tipo de adesivo.
Os monocomponentes são mais fáceis de operar e possuem
maior eficácia quando comparado a dois ou múltiplos agentes.
Normalmente os agentes adesivos unem as superfícies das fissuras
fortemente e, portanto, conduzem a uma boa capacidade de
recuperação das propriedades mecânicas, assim como propriedades de
durabilidade.
Para Blaiszik et al., (2010), os agentes de cura são confinados
em discretas cápsulas até que o dano produza a ruptura e libere o
conteúdo das mesmas. O autoreparo baseado em cápsulas inclui
quatro esquemas principais de confinamento: a) sistema catalisador de
cápsula, que inclui o agente de cura encapsulado e uma fase
catalisadora dispersa, (um exemplo é o catalisador de cápsula de
diciclopentadieno (DCPD) -Grubbs); b) sistema de multicápsulas, que
109
utiliza duas ou mais cápsulas, que confinam componentes separados
dos agentes de cura, (um exemplo é o sistema dimetilpolisiloxano
PDMS de cápsula dupla); c) sistema de funcionalidade latente, que faz
uso de grupos funcionais dentro da fase da matriz, os quais reagem
com um agente de cura encapsulado após dano, (um exemplo desse
sistema é o sistema epoxi-solvente) e d) sistema separado por fases,
que inclui pelo menos um componente de cicatrização que é separado
em fases dentro da matriz, enquanto outros componentes podem ser
encapsulados, (um exemplo é o sistema separado por fase PDMS
catalisado por estanho)
Wang et al., (2015b) citando White et al., (2001), apresenta os
mecanismos de funcionamento do autoreparo, por meio de cápsulas e
explica os processos de polimerização, os quais são apresentados a
seguir, em: 1; 2 e 3.
1) Processo de polimerização em cadeia, com abertura de
anel (ROMP). Trata-se de um processo de polimerização em cadeia,
em que uma mistura de olefinas cíclicas é convertida em um material
polímero abrindo os anéis esticados em monômeros e reconectando-os
para formar longas cadeias. Na figura 14, as cápsulas, semelhantes a
células, contendo diciclopentadieno (DCPD) e o catalisador de Grubbs
foram dispersos numa matriz polimérica durante a formulação do
material. Quando o material é danificado, devido ao surgimento das
fissuras, os agentes de cura contidos nas cápsulas serão liberadas
devido à fratura do invólucro da cápsula de poli (uréia-formaldeído)
(PUF). O agente de cura inunda a fissura e polimeriza o
110
diciclopentadieno (DCPD), o qual é catalisado pelo catalisador de
Grubbs. Como resultado, aproximadamente 75% da rigidez pode ser
recuperada em 48 h, em temperatura ambiente. Esta tecnologia foi
posteriormente aplicada a compósitos reforçados com fibras (CRF),
para produzir compósitos reforçados com fibra de autoreparo
(CRFAC), através da cura do material hospedeiro que continha as
cápsulas cheias de agente de cura.
Figura 14- Protótipo de cápsulas baseadas em compósitos autoreparadores (Adaptado
de White et al., 2001).
Conforme Wang et al., (2015), os materiais de autoreparo
baseados em cápsulas podem ser melhorados em muitos aspectos. No
caso dos agentes de cura baseados em cápsulas, isso significa a
utilização de agentes de cura mais avançados. Para DCPD e o
catalizador Grubbs, existem várias desvantagens. Em relação ao
111
catalizador de Grubbs, conforme Kamphaus et al., (2008) possui fraca
estabilidade, devido ao baixo ponto de fusão, 153 °C, sua reatividade
também é influenciada pela exposição prolongada ao oxigênio e
umidade (Coope et al., 2011). Adicionalmente, sua aplicação também
é limitada devido sua toxicidade e alto preço, conforme Billiet et al.,
(2012). Além disso, o DCPD requer grandes quantidades de
catalisadores para reação rápida (Aïssa et al., 2012). Para aumentar a
estabilidade do processo de cicatrização, Kamphaus et al., (2008)
testaram o cloreto de tungstênio (WCl6) como um catalisador
alternativo de ROMP devido ao fato de possuir, a mesmo tempo,
ponto de fusão relativamente alto a 275 °C e menor custo. Em outro
trabalho, apresentado por Lee et al., (2004), o agente cicatrizante
DCPD foi substituído por um material mais rentável 5-etilideno-2-
norborneno (ENB), que é conhecido por reação ROMP muito mais
rápida. No entanto, a principal desvantagem do ENB foi que a
estrutura de ligação cruzada formada era menos forte do que a
estrutura de cadeia linear polimerizada criada usando o DCPD (Aïssa
et al., 2012). Para produzir um resultado equilibrado, Liu et al., (2006)
realizaram um plano de mistura no qual DCPD e ENB foram
encapsulados, já que a reatividade do DCPD construiu ligações duras
e confiáveis e a reatividade ENB forneceu ajuda imediata. Depois,
Huang et al., (2011) testaram vários fatores, incluindo a taxa de
mistura, a temperatura de cicatrização e o tempo de cicatrização, que
afetou o desempenho da cicatrização e propuseram um plano de
mistura melhorado. Outros tipos de catalisadores também foram
112
levados em consideração por Raimondo & Guadagno (2013), tais
como: o catalisador de segunda geração da Grubbs (G2); o catalisador
de primeira geração da Hoveyda-Grubbs (HG1) e o catalisador de
segunda geração de Hoveyda–Grubbs (HG2). Esses novos
catalisadores permitem uma temperatura de cura de até 170°C, sem se
tornarem desativados e apresentam altos níveis de eficiência de cura.
O estabelecimento de agentes de cura e catalisadores alternativos
fornece mais opções na aplicação de materiais auto-reparadores
baseados em reações ROMP, quando são necessárias temperaturas
operacionais mais altas e custos mais baixos.
2) Processo de policondensação. A policondensação é um
processo que consiste em uma condensação química, na qual se busca
formular um polímero ligando monômeros únicos ou múltiplos e,
assim formar longas cadeias, liberando água ou uma substância
simples similar. Cho et al., (2006) desenvolveram um mecanismo
baseado na policondensação usando dilaurato de di-n-butilestanho
(DBTL) como catalisador e uma mistura de funcionalização de
extremidade de hidroxila e poli (dimetilsiloxano) (HOPDMS) e poli
(dietoxisiloxano) (PDES) como agente de cura. O novo mecanismo
teve uma eficiência menor em comparação com o DCPD e o
catalisador de Grubbs. No entanto, foi mais resistente à desativação
pela matriz de ar, água e éster vinílico e teve custo menor, expandindo
seus campos de aplicação e tornando-se mais adequado ao uso real
(Billiet et al., 2012). Revestimentos autocuráveis desenvolvidos por
Cho et al., (2009) e compósitos reforçados com fibras foram
113
estudados por Moll et al., (2013) e desenvolvidos com base nesse
mecanismo. Em outro trabalho Moll et al., (2013), constatou a
eficiência da cicatrização, a qual havia aumentado significativamente,
obtendo recuperação quase plena.
3) Reações autoreparativas a base de epóxi. Para Wang et al.,
(2015), as reações curativas à base de epóxi ganharam popularidade.
Trata-se de um sistema epóxi-endurecedor (Coope et al., 2011; Yin et
al., 2007; Yuan et al., 2006; Yuan et al., 2008; Yuan et al., 2011), a
resina epóxi e o endurecedor são encapsulados separadamente e
incorporados dentro da matriz composta. Quando surgem as fissuras,
ambas as cápsulas se rompem e, a resina epóxi e o endurecedor são
misturados e preenchem as fissuras. Além disso, os sistemas de cura
de cápsulas com solventes e com epoxi-solvente também foram
desenvolvidos para os compósitos poliméricos (Blaiszik et al., 2009;
Caruso et al., 2007; Caruso et al., 2008). Quando o solvente
encapsulado é liberado, ele se expande localmente e cura a rachadura.
A resina epóxi também pode ser adicionada em cápsulas com
solvente, promovendo reação de reticulação. Os mecanismos baseados
em epóxi tornaram-se os mais populares em comparação com os
mecanismos baseados na reação de ROMP e na policondensação, pois
são facilmente acessíveis. A caracterização do desempenho de cura do
revestimento à base de epóxi foi analisada e resumida por Liao et al.,
(2011) e Liu et al., (2012).
114
5.3 Sistemas de autoreparo vascularizados
Conforme Wang et al., (2015), o sistema de autoreparo pode
também ser realizados por vascularização. Os materiais de autoreparo
vascularizado, conforme figura 15, confinam o agente cicatrizante em
uma rede, na forma de capilares ou canais ocos, que podem ser
interconectados unidimensionalmente (1D), bidimensionalmente (2D)
ou tridimensionalmente (3D), até que o dano ative a autorecuperação.
Após o sistema vascular ser danificado e ocorrer a primeira entrega do
agente de cura, a rede vascularizada pode ser recarregada, por uma
fonte externa ou através de uma região não danificada, mas conectada
à rede vascularizada. Essa ação de reabastecimento permite vários
eventos de recuperação locais. A figura 15, apresenta de forma
esquemática a rede vascularizada, em uma, duas e três dimensões.
115
Figura 15 - Representação esquemática de um sistema de vascularização em uma,
duas e três dimensões Wang et al., (2015).
Dry & McMilban (1996) utilizaram três componentes de
monômeros de Metilmetacrilato (MMA) para autoreparo no concreto.
Em seus estudos, como forma de fornecer esses múltiplos
componentes no concreto, um sistema vascular foi construído
previamente. Comparado com o sistema de dois componentes de
epóxi, o MMA tem uma menor viscosidade e portanto, a mistura dos
componentes foi mais eficiente. Contudo, devido a viscosidade do
MMA ser baixa ele pode facilmente extravasar das fissuras. Esse
extravasamento pode reduzir a eficácia de autoreparo. Para superar
116
esse problema, polimetilmetacrilato com maior viscosidade foi
aplicado para substituir o MMA como agente de cura.
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122
CAPÍTULO 6
Métodos e ensaios para avaliação de desempenho
Os métodos e ensaios para a avaliação de desempenho dos
mecanismos de autoreparo aplicáveis aos materiais cimentíceos
podem ser divididos em função da escala em: macroscópia,
microscópia e nanoscópica. O desempenho pode ser avaliado
empregando-se ensaios mecânicos, os quais podem ser relacionados à
capacidade de recuperação da resistência à compressão, resistência à
flexão. Adicionalmente, pode-se empregar ensaios de resistência à
tração, empregando-se diferentes métodos de ensaios e, também
ensaios de tenacidade.
Em relação a durabilidade, pode-se empregar ensaios de
permeabilidade, absorção por capilaridade, coeficiente de
permeabilidade a água, ensaios de permeabilidade a gás, ensaios de
porosidade, difusão de cloretos, dentre outros. Pode-se, paralelamente,
empregar ensaios não destrutivos, tais como, ensaios de ultrassom,
frequência de ressonância, atenuação acústica, eco-impacto,
tomografia, dentre outros.
Para além disso, existem também ensaios que analisam a
resistência de ligação dos materiais depositados dentro das fissuras.
123
Várias pesquisas empregam ensaios físicos e mecânicos e,
paralelamente, realizam ensaios em escala microscópica para ampliar
a confiabilidade dos resultados obtidos.
Para quem está iniciando sugere-se, inicialmente, que seja
verificada a viabilidade técnica de realizar de alguns ensaios,
principalmente os ensaios que requerem controle de abertura de
fissuras. Além disso, deve-se salientar que a pasta, a argamassa e o
concreto são materiais frágeis, os quais rompem com baixos níveis de
deformação. Portanto, recomenda-se, tanto quanto possível, a inclusão
de fibras, que podem ser de aço ou outros materiais.
Deve-se considerar que após os materiais cimentíceos serem
fissurados ocorre uma pequena redução na abertura das fissuras, razão
pela qual a grande maioria dos trabalhos referem-se às fissuras
residuais. Recomenda-se, que a amostra seja suficientemente grande,
para que erros ou falhas de ensaios possam contornados.
Considerando-se que a capacidade de cicatrização das fissuras
depende dos mecanismos empregados, (que podem variar com o tipo e
quantidade de bactéria ou tipo e quantidade de adições minerais ou
polímeros) das condições ambientais, dos níveis de carregamento ou
de tensão, sugere-se a adoção de diferentes aberturas de fissuras,
diferentes níveis de tensão e diferentes condições cura, principalmente
as seguintes: imersa em água, em contato com a água, em água
corrente, ao ar, em ciclos de umedecimento e secagem e, tanto quanto
possível em diferentes soluções, dentre elas, uma que possa simular o
ambiente marinho.
124
Embora possa parecer deselegante, sugere-se mais de uma
referência para cada mecanismo, condição de ensaio e abertura de
fissura, níveis de carregamento e condições de cura. Dito de outra
forma, as referências nas quais não se utilizou nenhum mecanismo de
autoreparo, devem também fissuradas, com diferentes aberturas de
fissuras, carregadas sob os mesmos níveis de tensão e curadas nas
mesmas condições das amostras nas quais os mecanismos de
autoreparo foram utilizados.
6.1 Ensaios utilizados para produzir fissuras
Existem vários ensaios por meio dos quais pode-se produzir as
fissuras. Contudo, em cada ensaio emprega-se corpos-de-prova com
características específicas e para cada tipo de material cimentíceo
existe um ou mais ensaios que são mais adequados. Por exemplo,
quando o material é argamassa ou concreto sem fibras, pode-se
utilizar o ensaio de resistência à compressão, empregando-se prismas.
Quando o material a ser analisado possui em sua composição
determinado tipo e teor de fibras, O ensaio de tração por compressão
diametral, também denominado ensaio brasileiro, poderá ser utilizado.
Nesse caso, o ensaio deve ser realizado obedecendo às recomendações
da Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 7222:2011, com a
devida monitorização da abertura das fissuras e a máquina não poderá
parar após o surgimento da primeira fissura. Na figura 16 tem-se
representação esquemática desse ensaio.
125
Figura 16 - Representação esquemática do ensaio de tração por compressão diametral
com monitoramento da abertura das fissuras. Imagem provenientes de Ferrara et al.,
(2014).
Também é possível produzir fissuras, em materiais
cimentíceos contendo fibras, empregando o ensaio de tração na flexão,
o qual deve obedecer às recomendações da Associação Brasileira de
Normas Técnicas, ABNT - NBR7222:2011, ou a ASTM C 78/C78M:
2016-08, Test Method for flexural of concrete, dentre outras, conform
figura 17.
Figura 17- Representação esquemática do ensaio de tração na flexão, com 4 pontos e
3 pontos. Imagem provenientes de Ferrara et al., (2014).
126
Quando se adota o ensaio de flexão a quatro pontos em
materiais cimentíceos com fibras, devido a aleatoriedade das mesmas,
haverá certo grau de imprevisibilidade na localização das fissuras,
conforme pode-se perceber na figura 18. Imagens provenientes de
Ferrara et al., (2016).
Figura 18- Ensaio de flexão a 4 pontos, realizado em material cimentíceo com fibras.
Imagem de Ferrara et al., (2016).
Pode-se empregar o ensaio de fendilhamento para a produção
de fissuras, denominado double edge wedge splitting test, o qual, pode
ser traduzido como ensaio de fendilhamento com cunhas duplas nas
bordas. A figura 19, do artigo de Ferrara et al., (2018), propicia
melhor entendimento do ensaio.
127
(a)
(b)
Figura 19 (a) e (b) - Detalhe do ensaio de fendilhamento com cunhas duplas. Imagens
provenientes do artigo de Ferrara et al., (2018).
(c)
Figura 19(c)- Detalhe do ensaio de fendilhamento com cunhas duplas. Imagens
provenientes do artigo de Ferrara et al., (2018).
128
No entanto, pode-se empregar o ensaio de tração direta, conforme
figura 20, em compósitos cimentíceos com fibras de alto desempenho.
A figura 20 é proveniente do artigo de Li & Yang (2007). Para
conduzir o ensaio de tração, recomenda-se a utilização de um sistema
servo-hidráulico que funcione no modo deslocamento. A taxa de
deformação utilizada pode ser de 0,0025 mm/s para simular uma
condição de carga quase estática. Placas de alumínio necessitam ser
coladas em ambos os lados das extremidades das amostras. Dois
transdutores de deslocamento lineares externas devem ser anexados à
amostra para medir a deformação.
(a)
Figura 20 - (a) Ensaio de tração direta. Imagem proveniente de Li & Yang (2007) e
129
Faz-se necessário refletir sobre a repetitividade dos ensaios,
ou seja, o número de repetições e a periodicidade, ou seja, quantos
ciclos de carregamento serão adotados. A figura 21, representa um
ensaio em um compósito de cimento engenheirado, onde tem-se uma
aplicação crescente de tensões e deformações, até o colapso da
amostra.
Figura 21- Gráfico relacionando tensão e deformação, em compósitos de cimento
engenheirados. Fonte artigo de Yildirim et al., (2015).
Uma vez que as fissuras tenham sido produzidas, a etapa
seguinte será a definição do tempo em que as amostras ficarão em
cura e em que condições, dado que a robustez de autoreparo deve ser
examinada sob uma variedade de exposições ambientais, as quais são
tipicamente experimentadas por sistemas de infraestrutura de
concreto. Dentre os regimes de condicionamento ambiental Li & Yang
(2007) citam os seguintes: a) CR1 (ciclo água/ar), nesse ciclo as
130
amostras pré-fissuradas são submetidas a imersão em água em
temperatura de 20°C por 24h e, secá-las no laboratório na temperatura
de 21°C ± 1◦C e umidade relativa de 50% ± 5%. Esse regime é usado
para simular a condição ambiental com dias de chuva e dias
ensolarados; b) CR2 (ciclo água/ar quente) consiste em submergir as
amostras pré-fissuradas em água à temperatura de 20°C for 24h, secar
a amostra em forno à 55°C por 22h e, a seguir, esfriá-las por duas
horas, no laboratório à temperatura de 21°C ± 1◦C e umidade relativa
de 50% ± 5. Este regime é usado para simular ambientes externos
cíclicos, com dias chuvosos, seguidos de dias ensolarados de verão,
com altas temperaturas; c) CR3 (em água corrente) consiste em aplicar
fluxo de água contínuo, à 20°C, através das fissuras do concreto pré-
fissurado por tempo pré-estabelecido. Esse regime simula as
condições ambientais de infra-estrutura em contínuo e constante
contato com a água, com gradiente hidráulico, tais como reservatório
de água, tubulações e canais de irrigação; d) CR4 (submerso em
solução de cloreto) consiste em expor diretamente a amostra pré-
fissura a uma solução contendo elevado teor de cloretos. Esse regime
é usado para simular a exposição ao descongelamento por sais
empregado na infraestrutura de transporte, estacionamentos ou
reservatórios de concreto contendo soluções com elevado teor de sal;
e) CR5 (submerso em água) consiste em submergir a amostra em água
à 20°C até idades pré-estabelecidas. Esse regime simula as estruturas
de concreto submersas.
131
Cumpridas essas etapas preliminares, faz-se necessário
ponderar sobre os procedimentos a serem adotados para medir a
eficácia dos mecanismos de autoreparo.
Vários procedimentos podem ser adotados para verificar a
eficácia dos mecanismos de autoreparo, dentre eles os seguintes:
a) Índice de cicatrização da fissura. Esse índice é obtido da
seguinte maneira: I.C.F.=[1-(tamanho da abertura da fissura após
cicatrização/tamanho da fissura antes da cicatrização]. A figura 22,
permite melhor entendimento;
Figura 22 - Imagem da fissura após pré-fissuração e, após autoreparo, provenientes de
Ferrara et al., (2014).
b) Quantificação por meio de análise de imagem e
binarização de imagem. Essa metodologia de processamento de
imagens foi realizada por Ferrara et al., (2018), e consistiu na
investigação e quantificação das fissura empregando análise de
imagem. As imagens das fissuras foram registradas em microscópio
digital, ao longo de toda a extensão de cada amostra de fissurada. O
autoreparo da fissura foi então quantificado por comparação das
medições da largura da fissura, através do processamento de imagem,
132
para a mesma amostra, ao longo do tempo de cura. A figura 23
propicia uma idéia geral da metodologia aplicada;
(a)
(b)
(c)
Figura 23 - a) Imagem da fissura; b) e c) Binarização de imagem.
c) Índice de recuperação de carga à flexão. Empregando-se o
ensaio de flexão a três pontos, pode-se determinar o índice de
recuperação da carga à flexão, como maneira de quantificar a
capacidade de autoregeneração das fissuras. Ferrara et al., (2014),
propõe procedimento para determinar esse índice. A figura 24 (a)
proveniente do referido autor, apresenta um corpo-de-prova pós-
condicionamento, ou cicatrização. O gráfico da figura 24 (b) auxilia
na compreensão da equação proposta por Ferrara et al., (2014).
133
(a)
Figura 24 (a) - Ensaio de tração na flexão para determinar a capacidade de
recuperação de carga na flexão após autoreparo. Imagem proveniente de Ferrara et al.,
(2014).
(b)
Figura 24 (b) -Ensaio de tração na flexão para determinar a capacidade de recuperação
de carga na flexão após autoreparo. Imagem proveniente de Ferrara et al., (2014).
A equação proposta por Ferrara et al., (2014) para determinar
o índice de recuperação da carga sob flexão obtido conforme Equação
1.
134
Yildirim et al., (2015) fizeram revisão dos ensaios adotados
para analisar a eficácia do autoreparo em compósitos cimentíceos e
constataram que ensaios de permeabilidade a água, a penetração
rápida de cloretos e permeabilidade a gás, foram utilizados por vários
pesquisadores. Além desses, também constataram o emprego de
ensaios de difusão e absorção.
Li & Wang, (2007) apresentam alguns ensaios que podem ser
utilizados para verificar o desempenho dos sistemas de cicatrização
citando os seguintes, redução do coeficiente de permeabilidade e
redução do coeficiente de difusão de cloretos. Em relação aos ensaios
mecânicos relataram os seguintes, capacidade de recuperação da
tensão de tração e capacidade de recuperação da tenacidade dos
compósitos cimentíceos.
Bekas et al., (2016) propõem técnicas de monitoramento dos
mecanismos de autoreparo citando as seguintes: a) ultrassom; b)
Emissão acústica; c) espectroscopia Raman. Adicionalmente, propõem
algumas técnicas de caracterização, a seguir relacionadas: a)
espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier; b)
espectroscopia infravermelho próximo; c) espectroscopia de
ressonância nuclear magnética; c) Microscopia óticas, Microscopia
Eletrônica de Varredura, Microscopia eletrônica de transmissão; d)
Microscopia de força atômica; e) Análise de difração de raios-X; f)
Equação 1
135
espectroscopia de fótons emitidos por raios-x; g) reometria, estudos
reológicos e comportamento tixotrópico.
Desejando-se realizar diagnóstico tão preciso quanto possível,
sugere-se que sejam realizados ensaios combinados, os quais não
produzam efeitos colaterais ou acabem por alterar as características na
amostra. Neste sentido sugere-se que o monitoramento das fissuras
seja feito tanto por meio de ultrassom ou emissão acústica, quanto por
meio de análise digital. Paralelamente, para verificar a eficácia dos
mecanismos de autoreparo, os ensaios de absorção ou coeficiente de
difusão de cloretos poderiam ser empregados. Adicionalmente,
poderia-se determinar o módulo dinâmico e, finalmente, a
caracterização dos produtos do autoreparo seria realizado por meio de
microscopia e difração de raios-x, adotando-se em todo o processo a
mesma amostra.
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137
CAPÍTULO 7
Variáveis que afetam o desempenho da autoreparo
7.1 Condições ambientais
Conforme Huang et al., (2016), algumas estruturas são
utilizadas em baixo da água, outras são utilizadas para conter ou
transportar água. Nessas estruturas, fissuras podem causar problemas
de vazamento ou de vida útil. Como discutido acima, o autoreparo é
uma solução vital para esses problemas. Uma das condições mais
necessárias para o autoreparo autógeno e o autoreparo baseado em
bactérias ou adições minerais é a presença de água nas fissuras.
Portanto, para estruturas submersas, o autoreparo autógeno e
autoreparo baseado em bactérias ou adições minerais podem ser
adotadas. O autoreparo baseado em agentes adesivos não é adequada
para tais estruturas, porque a presença de água nas fissuras pode inibir
a liberação dos agentes nas fissuras e o endurecimento dos agentes
adesivos.
Para estruturas construídas no subsolo, tais como
armazenamento e garagens, expostas constantemente a água, pode
ocorrer que a água pode ocorrer que a água penetre pelas fissuras.
Autoreparo autógeno e autoreparo baseado em bactérias ou em
adições minerais (cristalizantes ou expansivas) são recomendadas,
muito mais do que o autoreparo baseado em agentes adesivos.
138
Contudo, em algumas regiões a água não é extremamente abundante.
Isso pode levar algum tempo para cicatrizar as fissuras. Para esses
casos o autoreparo na qual se emprega agentes adesivos pode ser
melhor alternativa.
Algumas estruturas ficam expostas a ciclos de secagem e
molhagem. Esses ciclos facilitam o ingresso de CO2, quando parte da
estrutura é exposta a ar o CO2 dissolvido facilita a precipitação da
Calcita durante o autoreparo autógeno e o autoreparo baseado em
bactérias. Pode-se ainda empregar tanto autoreparo baseado em
polímeros expansivos, superabsorventes, quanto as adições minerais
cristalizantes.
Para estruturas expostas ao ar, a água, na forma líquida, está
ausente nas fissuras. Contudo, as fissuras propiciam o acesso do CO2
na interface entre a matriz e as barras de aço. A carbonatação do
concreto ao redor das barras de aço aumenta o risco da corrosão das
barras de aço, além disso íons de cloreto podem estar presentes,
aumentando ainda mais o risco de corrosão.
O autoreparo pode mitigar alguns dos problemas relacionados
a durabilidade. Contudo, a deficiência da água nas fissuras faz com
que o autoreparo autógeno e o autoreparo com bactérias ou mesmo
com aditivos químicos seja bastante dificultada. Por essa razão, seria
necessário o fornecimento contínuo de água para que referidos
mecanismos de autoreparo pudessem atuar de forma eficiente. Dentre
as diversas possibilidades, o fornecimento adicional de água poderia
ser feito realizado empregando o sistema vascular. Por outro lado,
139
nessa condição, o autoreparo baseado em agentes adesivos pode ser
mais eficiente e conveniente.
Para elementos internos da estrutura o fornecimento adicional
de água nas fissuras é bastante difícil, portanto os mecanismos de
autoreparo autógeno, com bactérias ou adições minerais devem ser
evitados.
7.2 Abertura da fissura
De acordo com Maes et al., (2014), para NBN EN 1992-1-1
[1], a largura admissível de fissura em estruturas de concreto armado
depende da classe ambiental e está na faixa de 300-400 µm. Contudo,
Win et al., (2004) descobriram que a profundidade de penetração de
cloreto -na ponta da fissura- (ver figura 1) de uma fissura de 100 µm
era superior a profundidade de penetração de cloretos na superfície.
Além disso, de acordo com Ismail et al., (2008) larguras de fissuras de
200 µm e mais largas permitem a difusão ilimitada do cloreto
perpendicular à parede da rachadura. Van den Heede et al., (2014)
sugerem limitar a largura da fissura abaixo 50 µm para evitar a
penetração de cloretos. Então, parece que em ambientes marinhos, a
largura das fissuras deve ser limitada a fim de manter ou aumentar a
durabilidade das estruturas. Ye et al., (2013) após realizarem ensaios
de flexão à três pontos em que as aberturas das fissuras variaram entre
50 e 200 nm, analisaram os perfis de cloretos, após testes de difusão
de cloretos, nos quais ficou claro que as concentrações de cloreto
aumentam em certas profundidades da superfície exposta, quando a
140
largura da fissura aumenta. Por outro lado, Sahmaran (2007)
descobriu que o efeito de larguras das fissuras abaixo de 135 µm no
coeficiente de difusão de cloreto é pouco significativo. Além disso, ele
concluiu que quando a largura da fissura aumenta, o coeficiente de
difusão aumenta também e esse efeito foi mais pronunciado quando a
largura da fissura foi maior que 135 µm.
Qureshi et al., (2019) citando De Nardi et al., (2017)
mostraram que o autoreparo autógeno é reduzida com o aumento da
idade em que as fissuras são formadas em argamassas de cal e
cimento.
Qian et al., (2015) investigaram o potencial de autoreparo de
fissuras em idade precoce em materiais à base de cimento,
incorporando bactérias que podem produzir anidrase carbônica. As
amostras à base de cimento foram pré-fissurados aos 7, 14, 28, 60
dias, para verificar se capacidade de autoreparo era influenciada pela
idade em que surgiam as fissuras. Além disso, eles queriam analisar se
autoreparo era influenciada pela abertura das fissuras, por essa razão
eles produziram nas amostras fissuras com as aberturas entre 0,1 e 1,0
mm. Os resultados experimentais indicaram excelente capacidade de
reparação de pequenas fissuras formadas na idade precoce de 7 dias,
fissuras abaixo de 0,4 mm foram quase completamente fechadas. A
largura das fissuras influenciou significativamente a eficácia da
autocorreção. O transporte de CO2 e Ca2+ controlou o processo de
autoreparo.
141
Conforme Qureshi et al., (2019), a idade em que as amostras
são pré-fissuradas tem impacto vital sobre a capacidade de autoreparo
do concreto ou dos compostos cimentíceos com proporção elevada de
cimento e materiais cimentíceos suplementares (SCMs).
Amostras de compósito cimentíceo engenheirados com dois
tipos diferentes de cinzas volantes (baixo teor de cal e alto teor de cal)
e escória de alto forno granulada (GGBS) foram pré-fissuradas até
80% de suas capacidades de deformação aos 7, 28 e 90 dias.
Posteriormente, analisou-se o desempenho de autoreparo, o qual foi
baseado em testes de absorção e permeabilidade rápida à cloretos. Os
resultados revelaram tendência decrescente de cura com o aumento de
idade de dano (Alyousif et al., 2015; Yıldırım et al., 2015).
7.3 Reabertura das fissuras
7.3.1 Considerações gerais sobre os custos
Conforme Huang et al., (2016) os mecanismos de autoreparo
empregados aos materiais cimentíceos tem sido investigado por
décadas. Contudo, o autoreparo não tem sido aplicado com sucesso
nas estruturas de concreto armado, até agora. As incertezas sobre as
vantagens é a principal razão.
Conforme Huang et al., (2016), não existe custo adicional na
aplicação do autoreparo autógeno em materiais cimentíceos. É um
desempenho inerente dos materiais cimentíceos, embora esse processo
ocorra lentamente e seja apenas capaz de cicatrizar pequenas fissuras,
usualmente menor que 50 µm. Como forma de aumentar a capacidade
142
de autoreparo dos agentes de autoreparo adicionados na mistura do
concreto, tais como bactérias, adições minerais e agentes adesivos são
necessários. Contudo, o custo do concreto com esses agentes aumenta.
Entretanto, como demonstrado por Jonkers et al., (2010), o preço do
concreto baseado em bactérias pode reduzir drasticamente se os
pesquisadores conseguirem que as bactérias usem um nutriente a base
de açúcar no futuro. Por outro lado, quando se emprega os
mecanismos de autoreparo baseado em adições minerais, os custos
adicionais não serão elevados, quando eles forem usados para
substituir parte do cimento no concreto, dado que o valor dos mesmos
é próximo a do cimento.
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